12.9级高强度螺栓性能不合格原因分析及改进方法 - 湘钢40CrNiMoA棒材应用研究

根据GB/T3098.1-2000标准规定，8.8级以上的高强度螺栓一般认为是高强度螺栓。高强度螺栓通常是风电设备中应用最广泛的紧固件。它们易于构造、可拆卸且具有良好的抗压能力。和抗疲劳性能，因此对钢材的表面质量和内在质量要求很高[1-2]。 40CrNiMoA棒材含有高Cr、Mo、Ni等合金元素，提高了螺栓的淬火性能和高温性能。调质后具有优良的性能，可用于生产高强度螺栓。

湘潭钢铁公司在研制12.9级高强螺栓过程中，客户的调质螺栓性能不合格。本文从原材料角度分析性能不合格的原因及改进方法。

1 有问题

国内某风电紧固件公司采用象山钢铁公司的φ34mm规格40CrNiMoA棒材生产12.9级螺栓。经过多次热处理，拉伸试验中表面收缩率实际检测值为41%~43%，低于GB/T 3098.1——2000年国家标准中44%的最小面积收缩率要求。不合格。用户的加工工艺为：实心圆钢→中频感应淬火+回火（抽样检验）→剥皮→矫直→攻丝→探伤→表面处理→包装。

检查炉子的冶炼、轧制过程。连铸中间包内钢水过热度为30℃。板坯采用传统的高温段加热方式。轧制过程正常。轧后性能按GB/T 2975-2018标准为φ25mm。将毛坯放入炉中，按照GB/228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准对拉伸试样进行试验。性能满足要求。生产检验圆钢组织为铁素体、珠光体、贝氏体。

针对这种情况，本文对断口进行分析，从钢材的冶炼、轧制工艺方面采取措施，解决热处理后性能不合格的问题。

2 原因分析

热处理工艺结束后，客户将圆钢切割成力学性能试样，并在MULTILINE-600全自动电子万能材料试验机上测试拉伸强度。拉伸断裂样品的照片如图1所示。

图1(a)为面积收缩不合格的样品，图1(b)为面积收缩合格的样品。根据肉眼观察，图1(a)中试样拉伸断裂时的颈缩程度略低于图1(b)中试样。查阅文献[3]，影响收缩性能的主要因素包括化学成分、晶粒尺寸、组织均匀性和热处理制度。本文对原材料的化学成分、断口形貌、金相组织以及低倍率进行了分析。

2.1 化学成分

从断裂处制备光谱样品，并使用 ICP 发射光谱仪分析样品螺栓的成分。样品螺栓的化学成分如表1所示。

从表1可以看出，螺栓的化学成分均符合标准要求。不合格样品(a)中的Mn比合格样品(b)高0.11个百分点，Cr高0.07个百分点。有害元素Sn为0.071%。其余元素的内容类似。

根据文献[4-5]，Mn和Cr元素可以提高钢的强度和淬透性，但Cr元素在提高强度的同时显着增加回火脆性，而Mn元素不会显着降低材料的韧性，因此有必要降低Mn、Cr元素含量。据赵秉军等人介绍。 [6]关于低温冲击与钢中Sn含量的影响，随着钢中Sn含量的增加，钢的冲击韧性逐渐下降。当温度低至（-20~-45℃）时，钢的冲击韧性当钢中Sn含量从0增加到0.068%时，冲击功急剧下降。当Sn含量超过0.068%时，冲击功降低缓慢。因此，降低钢中Sn含量有利于改善低温冲击。

2.2 断口宏观形貌观察与分析

拉伸试件断口宏观形貌如图2所示。由图2可见整个断口出现颈缩，表现为脆性断裂和塑性断裂并存。断裂面从外到内依次为塑性变形区和瞬时断裂区。图中箭头方向即为最终断裂带的原点。

采用JSM-6490LV扫描电子显微镜（SEM）对试样的断口形貌进行观察和分析。断口SEM显微形貌如图3所示。从图3(a)和图3(b)断口SEM形貌观察可以看出，断口处存在韧窝和晶界裂纹。断裂面。图3(c)综合表明该钢的断裂模式为穿晶塑性断裂。在拉拔过程中发生脆性转变。此时断面收缩率达到最高水平，断口形貌呈大韧窝，中心有晶界裂纹。同时，韧窝的数量变小并开始减少，这意味着钢材的塑性下降。

2.3 金相组织观察与分析

将试样断面切镶、磨削、抛光，然后浸入3%硝酸酒精溶液中，然后用金相显微镜观察试样断口，检测夹杂物、带状组织和金相组织。评级分析和断口显微组织如图4所示。

根据GB/T10561-2023标准将夹杂物评定为D1级，未发现异常大的夹杂物，如图4(a)所示；带状结构按GB/T34474.1-2017标准评定为2.0级。夹杂物和带状组织均符合GB/T3098.1-2000标准中的要求，表明夹杂物和带状组织不是表面收缩率低的原因，如图4(b)所示；用3%硝酸酒精腐蚀后，检测螺栓横向组织为回火索氏体。并有少量轻微偏析和脆性结构，见图4(c)；试样抛光后，浸入过饱和苦味酸钠+洗涤剂溶液中，加热至60℃以上热腐蚀2min，然后在金相显微镜下观察。根据GB/T6394-2017标准要求，采用单点法测定，平均奥氏体晶粒尺寸为6.0，但存在局部粗大晶粒，如图4(d)所示。虽然平均晶粒尺寸达到客户要求的下限标准≥6，但根据文献[7]，圆钢奥氏体晶粒粗大会影响钢的性能。

2.4 低倍分析

在断口附近切取低倍样品，浸入30%盐酸水溶液中，加热至70℃并保持10分钟，然后用冷酸清洗，进行低倍观察。低倍检测如图5所示，按GB/T 1979-2001标准，1.0级中心疏松，0.5级核心偏析，1/4处有亮白色带区距中心的直径，如图5中箭头所示。查看文献[8-11]。连铸坯凝固过程中，由于电磁搅拌不当，导致钢液凝固前沿温度梯度下降，凝固前沿富溶质的钢水流出，形成白色光亮带，是一个消极的隔离框架。带具有一定的遗传性，连铸坯结束后仍可能保留，影响材料的后续使用。分析表明，连铸坯上存在一条亮白色带，该带在加热轧制后继承到圆钢上。

3 工艺改进测试

3.1 工艺研究

综上所述，调质后收缩率低的主要原因是钢坯中有一条白色光亮带，遗传到轧制后的圆钢上。客户热处理后，中心形成较大的脆性区，局部晶粒粗大，钢中合金元素含量在一定程度上影响塑性。在此基础上，从钢中各种元素含量、连铸参数、轧制冷却等方面采取措施。

1）与普通样品相比，降低Mn、Cr含量，采用先进优质合金，降低钢中残余元素Sn含量。

2）优化连铸电磁搅拌参数。终端电磁搅拌参数从350A/4Hz优化至200A/8Hz。同时降低连铸钢水温度，中包过热度控制在20～25℃之间，以增加钢水凝固前沿。温度梯度解决了铸坯白亮条问题。

3）轧制工艺试验采用低温轧制、控冷。上冷床温度由920~940℃降至780~810℃，细化晶粒，使组织均匀。

3.2 测试结果

按上述措施冶炼一炉，采用优质自产废钢入炉，合金化时用电解镍代替镍铁，用高纯硅和金属锰代替普通硅锰合金，降低钢中有害元素含量，并包括实际过热度23℃。试验炉的化学成分如表2所示。

根据细晶强化原理，将钢中铝含量提高至0.030%。铸坯在坑中缓慢冷却24小时，然后放入炉中轧制成34毫米圆钢。圆钢上冷床实际温度为800~810℃。冷床上的圆钢采用一齿一钢，从冷床上快速落入坑内缓冷。铸坯、低倍圆钢、奥氏体晶粒的低倍检验如图6所示。

图6(a)中可以看出，低倍下铸坯内没有明显的白色亮带；图6(b)中，φ34mm规格圆钢低倍评定为中心疏松0.5级、一般疏松0.5级、中心偏析0级，未见白色亮带区域；由图6(c)可知，平均奥氏体晶粒尺寸为7级，无混晶。

3.3 热处理工艺调整试验

该圆钢经客户试用后，探索出三种热处理工艺，力学性能测试数据如表3所示。

3次热处理试验中，表面收缩率试验为52%~56%，满足要求，机械强度和-45℃冲击值也在客户要求的12.9级螺栓的标准范围内。

4 结论

1）表面收缩不合格的主要原因：铸坯中有一条亮白带，经轧制热处理后带入钢棒心部，形成较大的脆性区，导致拉伸试验时早期断裂。

2）采用优质废钢及合金，降低连铸电磁搅拌强度，生产的板坯经检测无白色亮条。

3）轧制工艺采用上冷床降温、缓冷。生产的圆钢无白色光亮带区，晶粒度为7级。

4）圆钢经客户调质处理后，其性能合格；适当提高回火温度可以使螺栓内部成分和组织更加均匀，减少有害硬质相组织，增加成品螺栓的表面收缩率。

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参考：

[1]惠伟军，文玉清，韩东。高强度紧固件用钢[M]．北京：冶金工业出版社，2009。

[2] 彭超峰，王洪亮，张祥兆。风电叶片连接高强螺栓断裂时效分析[J].金属材料与冶金工程, 2023, 51(3): 33-36.

[3]包石磊，徐直军，刘健，等。风电用高强度紧固件钢成分设计及热处理工艺研究[J].天津冶金，2021（3）：30-37。

[4]奚爱平，张盾，王义康。钢中残留元素及其对钢性能的影响［J］．钢铁，1999，34(10)：64-68。