欧美风电用高强度紧固件钢材成分设计及热处理工艺研究

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介绍

风能已成为全球日益流行的可再生能源。 随着风力涡轮机行业的不断发展，风力发电对高强度紧固件的需求也在不断增长。 紧固件对于风力涡轮机的可靠性和安全性起着至关重要的作用，风力涡轮机承受着巨大的机械载荷、环境因素和疲劳损伤。 因此，开发具有优异机械性能和耐腐蚀性的高强度紧固件对于确保风力发电机的耐用性和可持续性至关重要。 本文探讨欧美风电用高强度紧固件钢的成分设计及热处理工艺研究。

钢材成分设计

钢材的成分设计是决定紧固件力学性能和耐腐蚀性能的关键因素。 钢成分设计的主要目标是实现高水平的强度、韧性和延展性，同时保持优异的耐腐蚀性。 紧固件用钢的成分包括碳、铬、钼、钒和其他合金元素。

碳是钢中最重要的元素，它可以提高钢的强度和硬度。 然而，过多的碳含量可能会导致韧性和延展性降低。 因此，紧固件用钢的碳含量通常在0.3%～0.5%之间。

钢中添加铬以提高其耐腐蚀性。 铬与大气中的氧气发生反应，在钢材表面形成钝化氧化层，防止进一步腐蚀。 添加铬还可以提高钢的强度。 用于紧固件的钢中的铬含量通常为 10% 至 20%。

钢中添加钼可提高其强度和韧性。 钼在钢中形成碳化物，提高其硬度和耐磨性。 用于紧固件的钢中的钼含量通常为 0.25% 至 0.5%。

钢中添加钒可提高其强度和韧性。 钒在钢中形成碳化物，提高其强度和耐磨性。 用于紧固件的钢中的钒含量通常为 0.1% 至 0.2%。

其他合金元素，如镍、铜和钛，被添加到钢中以提高其机械性能和耐腐蚀性。 紧固件中使用的钢材成分通常根据特定应用和要求进行定制。

热处理工艺

热处理是制造风电用高强度紧固件的必备工艺。 热处理涉及加热和冷却钢以改变其微观结构和机械性能。 制造高强度紧固件的主要热处理工艺是淬火和回火。

淬火是将钢加热到高温并在水或油中快速冷却。 淬火会形成马氏体，这是一种硬而脆的微观结构，可以提高钢的强度。 然而，马氏体也容易开裂和断裂。 因此，淬火钢必须进行回火处理，以提高其韧性和塑性。

回火是将淬火钢加热到较低温度并在冷却前保持特定时间。 回火使马氏体转变为回火马氏体，这是一种增强钢的韧性和延展性的微观结构。 回火温度和时间取决于紧固件的具体应用和要求。

综上所述

综上所述，开发具有优异机械性能和耐腐蚀性的高强度紧固件对于风力涡轮机的耐用性和可持续性至关重要。 钢的成分设计和热处理工艺起着至关重要的作用。

0 前言

2010年，我国风电总装机容量突破50吉瓦，成为全球风电装机容量第一大国。 与此同时，风电向大功率、海上发展的趋势越来越明显。 风电基础螺栓用10.9级高强度紧固件材料主要采用GB/T3077中的35CrMoA和42CrMoA牌号钢（美国牌号ASETMA193标准中的B7）。 一般规格大于Φ50mm。 要求零件整体热处理后抗拉强度≥1 040 MPa，-40℃冲击功≥27 J。目前高强耐低温紧固件尚未完全国产化。 因此，利用我国现有的工艺装备，研究高强低温耐冲击紧固件用钢，特别是-40℃以下的低温冲击性能，具有重要的学术意义。 和市场前景。

本文研究了GB/T3077中现有42CrMoA钢的热处理工艺试验、合金成分优化以及Ti微合金化对比试验，确定了一种工艺性能优异、经济可行的风电用新材料及热处理工艺方案。 为高强螺栓材料的选择提供经济可行的参考。

1 现有国标材料热处理工艺试验

1.1 试验材料的生产工艺路线

该钢种对夹杂物控制要求高，塑韧性指标优良，故制定以下生产工艺路线：碱性转炉/电炉→LF精炼炉→真空炉→连铸机→全连轧生产线。

1.2 试验材料化学成分及力学性能

试验材料采用GB/T3077中的42CrMoA作为基础材料[1]。 试验材料化学成分控制范围及试样实际成分如表1所示。为了保证材料热处理过程中晶粒尺寸的稳定性，添加Al元素来细化晶粒。 使用直读光谱仪对样品成分进行分析和测量。 试验材料的取样方法、热处理制度及力学性能见表2。

1.3 水冷淬火工艺实验研究

从表2可以看出，GB/T3077中42CrMoA材料性能试验是以按规定工艺制度进行热处理的Φ25mm圆毛坯材料为基础。 冲击功测试的样品是在室温下测试的U型样品，不能满足风电的要求。 高强螺栓整体热处理后，材料力学性能满足抗拉强度≥1 040 MPa、-40℃冲击功≥27 J的要求。

因此，本实验决定对材料的整体热处理进行模拟研究。 初步试验采用油冷淬火工艺，强度基本在856～917MPa之间，-40℃冲击功在11～28J之间，与目标值相差甚远。 具体数据本文不再列出。

1.3.1 水冷淬火工艺试验数据

经研究，决定采用Φ60 mm试样1圆钢（化学成分见表1）进行整体淬火/水冷+回火/水冷工艺试验。 具体热处理工艺制度及力学性能见表3。

1.3.2 水冷淬火试验结果分析

(1)在890℃淬火90分钟、550～560℃宽Y回火热处理工艺下，综合性能最优，低温Akv大于27J，强度在1 021和1 057 MPa，接近满足风电高强螺栓机械性能要求；

(2)当回火温度提高到600℃时，低温冲击功显着提高至59 J，但强度显着降低，仅为897 MPa，不能满足高强螺栓的力学性能要求用于风力发电；

(3)通过水冷淬火试验结果可以看出，水冷淬火和提高淬火温度有利于增加强度。

从以上实验可以看出，采用水冷热处理工艺方案，材料的整体性能较油冷有一定程度的提高。 -40℃冲击功提高到20J以上，但材料性能离散度较大。 采用水冷淬火可以明显提高材料的淬透性。 但国标材料热处理后仍难以满足风电用紧固件材料的性能要求，必须对材料成分进行优化和改进。

2 优化材料成分及热处理工艺试验

2.1 优化改进材料成分设计方案1

2.1.1 方案1的设计元件及测试数据

从上述试验可以看出，GB/T3077标准中大规格42CrMoA钢的工艺性能不能满足用户要求，需要优化材料成分和轧制工艺，以提高强度和韧性。

众所周知，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会显着增加回火脆性，而Mn元素不会显着降低材料的韧性。 数据研究表明，Mn含量较高、P、S含量较低的42CrMo基材料具有优异的低温冲击性能[2]。 本次试验计划调整Mn目标值至0.85%。 试验炉优化样品2的成分如表4所示。

优化样品2的热处理工艺采用原优化热处理工艺，采用870~890℃淬火/水冷+550~560℃回火/水冷热处理。 热处理工艺试验性能如表5所示。 2.1.2方案1试验结果分析

(1)在870～890℃90min、550～560℃回火的热处理工艺下，材料综合力学性能稳定，低温Akv大于25J，强度大于1041 MPa，基本满足风电用高强螺栓的力学性能要求。 ;

(2)样品成分2的热处理敏感性明显低于样品1。从上述实验可以看出，材料增加Mn元素含量后，材料的综合性能基本满足风电螺栓，稳定性较样品1显着提高。

2.2 优化改进材料成分设计方案2

2.2.1 方案2的设计元件及测试数据

研究资料表明，钢中添加微量细化晶粒元素（Ti、V等）可以细化奥氏体晶粒[2]。 数据表明，随着晶粒尺寸的增加，低温冲击功变得更高[3]。 这是因为晶粒越细、晶粒越多、晶界越多，抗裂纹扩展的能力就越大，冲击功就越高。 第二种方案是在原有优化设计方案1的基础上，同时考虑成本优化，选择Ti微合金化处理，并研究材料的综合性能。 试验炉的目标部件以及设计样品3和4的部件如表6所示。

设计样品3、4的热处理工艺采用890~910℃淬火/水冷+550~560℃回火/水冷热处理。 热处理后微合金设计成分样品的性能如表 7 所示。

2.2.2方案2测试结果分析

在890-900℃淬火水冷和550-560℃回火水冷热处理工艺下，材料综合力学性能稳定。 低温Akv大于40J，强度大于1100MPa，满足风电用高强螺栓力学性能要求。 经过微合金化Ti处理的样品可以适用于更高的淬火温度而不引起晶粒长大，并且可以获得更高的强度和更好的低温冲击韧性。

3 结论

(1)通过对GB/T3077中42CrMoA材料热处理工艺的研究，在890℃淬火+550~560℃回火的热处理工艺下，综合力学性能最优。 低温Akv在25~28J之间，强度在1021~1 057 MPa之间，但材料的综合性能不能满足零件的技术要求。

(2)优化设计样品2适当增加合金元素Mn含量，采用870~890℃淬火/水冷+550~560℃回火/水冷热处理工艺。 综合力学性能提高，低温Akv在25～35 J之间，强度在1 046～1 082 MPa之间。 材料的综合性能能够满足零件的技术要求，但综合力学性能的裕度不大。

(3)经过微合金化Ti处理的样品可以适用于更高的淬火加热温度而不引起晶粒长大，并且可以获得更高的强度和更好的低温冲击韧性。 在890~900℃淬火/水冷和550~560℃回火/水冷热处理工艺下，材料的综合力学性能最佳。 低温Akv大于40J，强度大于1100MPa，满足风电用高强螺栓力学性能要求。

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参考：

[1] GB/T 3077-2015. 合金结构钢[S].

[2] 张先明. 风力发电机紧固件用 B7 钢材料 [J]. 热处理技术与装备，2010，31（2）：15。

[3] 王明利，王健，王丽霞。 42CrMo钢冶金质量和纤维组织对低温冲击功的影响[J]. 轴承，2009，12。