分享：10.9级M36风电螺栓用钢的低温冲击性能研究现状
摘 要:介绍了高寒地区服役的10.9级 M36风电螺栓用钢的种类及其加工工艺,从晶体结构、 化学成分、调质前原始组织、调质前加工处理工艺以及调质处理工艺等方面,综述了高强度风电螺 栓用钢低温冲击性能的研究进展,对采用冷镦热轧盘条工艺生产10.9级风电螺栓的低温冲击性能 偏低的原因进行分析,最后提出了冷镦SCM440钢热轧盘条生产10.9级风电螺栓采取的提高低温 冲击性能的措施。
关键词:热轧盘条;高强度风电螺栓;低温冲击性能;化学成分;调质处理
中图分类号:TG142.1 献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)04-0001-07
0 引 言
紧固件作为各行业最基础的零部件,在工作时 除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外,还会受到附加 的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由二者复合 而成的弯曲载荷的作用[1]。风电螺栓除受到上述载 荷作用外,还随主机一起常年经受酷暑严寒、极端温 差、盐雾腐蚀等作用。因此,风电螺栓除了需具有足 够的强度和塑性外,还应具有足够的韧性[2-3]。材料 存在韧脆转变温度,风电螺栓在此温度以下使用时, 将存在断裂风险,从而造成生命财产损失,因此研究风电螺栓用钢的低温冲击性能显得十分重要。目 前,大规格风电螺栓的低温冲击功普遍偏低,尤其是 冷镦成型风电螺栓常出现因低温冲击性能不合格而 返工的现象。作者以10.9级 M36风电螺栓用钢为 研究对象,对该钢的低温冲击性能研究进展进行了 综述,并对由SCM440热轧盘条经冷镦工艺生产的 10.9级风电螺栓低温冲击性能偏低的原因进行了分析。
1 高强度风电螺栓用钢及技术要求
目前,高强度风电螺栓的强度等级大部分选择 10.9级,少量选择8.8级,高强度风电螺栓一般采用 碳质量分数为0.30%~0.55%的中碳合金结构钢制 造,其中:规格不大于 M24的螺栓选用20MnTiB钢;规格为 M27、M30的螺栓选用35VB钢或35CrMoA 钢;规格不小于 M36的螺栓一般选用42CrMo钢、B7 钢、SCM440 钢、40CrNiMoA 钢,少 量 允 许 使 用 30CrMnSiA钢。40CrNiMoA钢具有最优的冲击韧性 和淬透性[4-5]。B7钢为美国 ASTM 标准产品,其化学 成分标准范围较宽,涵盖了美国合金结构钢体系中的 AISI4140、 AISI4142、 AISI4145、 AISI4140H、 AISI4142H、AISI4145H 等 6 个牌号,而风电螺 栓 用 B7钢的化学成分标准范围与 AISI4140合金结 构钢的一致。SCM440 钢为日本JIS 标准产品,相 当于 GB/T6478-2015中的 ML40CrMo钢或 GB/T 3077-2015中的42CrMo钢。目前,10.9级 M36风 电螺栓 用 钢 主 要 为 SCM440 钢、42CrMo 钢 和 B7 钢,其化学成分标准范围见表1。
目前,8.8级及以上高强度风电螺栓的制造工 艺主要为冷镦和热(温)锻。由热轧盘条生产风电螺 栓时采用冷镦工艺,其生产工艺流程为球化退火→ 酸洗磷化→拉拔→冷镦成型→加工螺纹→淬火和回 火→表面处理;由热轧棒材生产风电螺栓时采用热 (温)锻工艺,其生产工艺流程为酸洗磷化→拉拔→ 下料→热(温)锻成型→六角整形→淬火和回火→加 工螺纹→表面处理。与热(温)锻工艺相比,采用冷 镦工艺生产高强度风电螺栓具有更高的效率和成材 率,目前 M36及以下规格风电螺栓逐渐改用冷镦工 艺生产。高强度风电螺栓均需要通过860~890 ℃ 淬火+450~600 ℃高温回火,即调质处理才能获得 具有良好强韧性的回火索氏体组织。10.9级高强 度风电螺栓的硬度为33~39 HRC,抗拉强度不低 于1040 MPa,断后伸长率不小于9%,断面收缩率 不小 于 48%,-40~ -45 ℃ 低 温 冲 击 吸 收 能 量 (AKV2 )不低于27J。
2 影响10.9级 M36风电螺栓用钢低温冲击 性能的因素
2.1 晶体结构
在常见的3种晶体结构中,易发生低温脆性现 象的结构为体心立方和密排六方结构[6]。高强度风 电螺栓用SCM440钢为体心立方结构材料,存在低 温脆化现象。通常,材料的晶体结构越复杂,对称性 越差,位错阻力越高;若位错阻力对温度变化敏感, 则对屈服强度的影响更大,冷脆倾向更明显,低温冲 击性能更差。张伟强等[7]研究发现,42CrMo调质 钢在-150~700 ℃范围的屈服强度随温度的升高呈降低趋势,但在0~250℃范围屈服强度存在一个 变化平缓的平台,这是由于此时溶质原子的扩散能 力较强,对位错的钉扎作用较大导致的。
2.2 化学成分
2.2.1 常规合金元素
SCM440钢为中碳合金钢,其中碳、硅、锰、铬、 钼等为主要元素,硫、磷、镍、铜等为次要元素。碳作 为钢中最主要的元素,可提高钢的强度,但会降低塑 韧性、耐腐蚀性能、冷弯性能、焊接性能,并增大低温 冷脆倾向,因此为保证该钢良好的低温冲击性能,碳 含量应控制在标准范围的下限;硅可提高钢的强度、 淬透性,但其质量分数超过1%时会降低塑韧性、提 高韧脆转变温度,因此在标准范围内应适当提高硅 含量以弥补由低碳引起的淬透性和强度损失。合金 元素锰、铬、镍、钼均能提高钢的淬透性,同时铬元素 可明显提高钢的回火脆性,使韧脆转变温度提高,钼 元素则可抑制回火脆性,镍元素为低温用钢的主要 合金元素,可提高钢的常温塑性和韧性,也可改善钢 的低温韧性,使韧脆转变温度降低。李静媛等[8]研 究发现,随着硫化锰最大尺寸的增加,42CrMo钢的 冲击韧性降低。在一定范围内,提高锰含量可削弱 硫对冲击 韧 性 的 不 利 影 响,同 时 锰 可 脱 氧 以 清 除 FeO,从而降低钢的脆性[9]。王明礼等[10]对比研究 了42CrMo钢韩国锻件和国产锻件的低温冲击性 能,发现在相同调质工艺下,韩国锻件的-20 ℃冲 击功比国产锻件的高20J,-40 ℃冲击功比国产锻 件的高30J;进一步对比发现韩国锻件的硫、磷含量 较低,锰含量较高,铬含量偏低,同时韩国锻件中的 非金属夹杂物较细小,含量较低且分布均匀。硫在固态下以 FeS形式存在于钢中,会割裂金属基体的 连续性,从而导致钢的低温冲击性能变差[11]。磷在 结晶过程中易产生晶内偏析,导致韧脆转变温度升 高而发生冷脆,因此应尽可能降低磷元素含量。
2.2.2 微合金化元素
SCM440钢中虽然含有一定量的硅,但实际生 产过程中仍然需要用铝来脱氧,剩余铝元素会与钢 中氮元素结合形成细小弥散的 AlN 质点,可以在后 续热处理中起到防止奥氏体晶粒长大的作用。陈先 毅[12]研究了铝含量对42CrMo钢锻件冲击功的影 响,发现铝含量较高锻件的晶粒尺寸较小,但冲击功 较低,这是因为铝元素在42CrMo钢锻件中形成的 AlN、Al2O3 颗粒对低温冲击功的不利影响超过了 其细化晶粒提高冲击功的作用。对 ML40Cr钢热 轧盘条进行860 ℃×1.5h水冷热处理后,发现添加 质量分数0.026%铝的 ML40Cr钢中奥氏体晶粒尺 寸为15.8μm,小于未添加铝的(28.7μm);添加质 量分数0.026%铝和不添加铝的 ML40Cr钢的室温 到-50 ℃ 冲 击 功 变 化 趋 势 一 致,且 含 质 量 分 数 0.026%铝的 ML40Cr钢的冲击功比不添加铝的高 20J左右,这主要是由于晶粒细化使得晶界前塞积 的位错减少,有利于降低应力集中,同时可降低磷等 杂质元素在晶界的偏聚程度[13]。齐建军等[14]研究 了铝含量、氮含量和铝氮质量比对轿车用20MnCr5 渗碳钢晶粒度和混晶的影响,发现:铝质量分数不低 于0.020%时,氮含量偏低是导致其在渗碳温度产 生混晶的主要原因;当铝质量分数不低于0.025% 且铝氮质量比不小于3时,20MnCr5钢经930 ℃保 温6h热处理后不出现混晶现象。作为调质态下使 用的产品,上 述 研 究 结 果 同 样 适 用 于 风 电 螺 栓 用 SCM440钢,作者对经过转炉→钢包精炼炉(LF)精 炼→大方坯连铸工艺生产的 SCM440钢热轧盘条 进 行 氮 含 量 测 试,得 到 氮 平 均 质 量 分 数 为 0.0045%,氮含量相对偏低,此时应适当增加铝含 量,增加铝氮质量比,以减弱晶粒长大倾向。
微合金化元素铌、钛、硼对42CrMo钢的组织和 低温冲击性能也会产生一定的影响。吴镇宇等[15] 研究发现:铌钛复合微合金化可细化42CrMo钢奥 氏体晶粒,当冲击试验温度较低时,钢的冲击吸收能 量及纤维断面率均明显提高,即铌钛复合微合金化 可以改善钢的低温冲击性能;但是该钢较高的强度 和较高的硫含量使得这种改善效果有所减弱。钟浩 等[16]研究发现:加入质量分数0.0015%的硼可以显著提高SCM440钢的低温冲击韧性,且在相同调 质处理条件下该钢具有更高的硬度,这是由于微量 硼在钢中起到了晶粒细化和晶界强化作用;但是由 于硼活性极高,在钢中极易形成氧化硼、氮化硼等, 这些硼的析出相降低了有效硼含量,削弱了有效硼 偏聚于晶界而起到的晶界强化作用,同时也降低了 AlN 细小质点数量,削弱了 AlN 的细晶强化作用, 而该研究中并未对此进行深入分析。斯庭智等[17] 研究发现:硼钛复合微合金化可以细化42CrMo钢 组织,提高钢的回火稳定性,从而显著提高钢的强度 与硬度;当钛质量分数低于0.045%时,42CrMo钢 的强度提高程度不显著,且其强度的提高主要来自 于细晶强化作用;当钛质量分数为0.045%~0.095% 时,强度提高显著,且其强度的提高主要来自于 TiC 的 沉 淀 强 化 作 用;硼 钛 复 合 微 合 金 化 提 高 了 42CrMo钢的塑性和韧性,这主要是由于硼在晶界 替代磷、硫析出而减轻了磷、硫的有害作用;但是,钛 微合金化会增加钢中 TiN 非金属夹杂物的数量,对 钢的冲击韧性不利,而上述研究并未对此进行分析。
2.3 原始组织
奥氏体在钢中的形成方式与奥氏体化前的原始 组织密切相关。在钢的化学成分相同时,原始组织中 珠光体越细、渗碳体片间距越小,奥氏体的形成速率 越快[18]。对于具有马氏体组织的碳钢,在加热到奥 氏体 化 温 度 过 程 中,奥 氏 体 快 速 形 成,例 如 将 AISI4340钢薄试样在铅浴中快速加热至790~870℃ 时,只需2s奥氏体即可形成[19],且由这种奥氏体形 成的马氏体硬度和强度均较高。王利军等[20]研究 发现,与球化退火组织热轧态 SCM435 钢相比,组 织为贝氏体+铁素体+珠光体的热轧态钢经相同调 质处理后具有更高的硬度和低温冲击吸收能量。轧 制工艺对风电螺栓用冷镦钢热轧盘条组织和性能有 明显影响。与低温轧制 B7钢相比,高温轧制 B7钢 的奥氏体晶粒粗大,室温组织均匀性差,经相同工艺 调质处理后,钢的低温冲击性能偏低,冲击吸收能量 波动较大[21]。在生产SCM440钢风电螺栓时,相比 粗大球状碳化物组织,具有细粒状碳化物退火态钢 经过后续调质处理后具有更高的冲击功。上述研究 均表明,原始组织会对冷镦钢调质处理后的组织产 生影响,最终影响产品的低温冲击性能。
2.4 调质前加工处理工艺
奥氏体晶粒越细小,经调质处理后钢的强度越 高,塑性和冲击韧性越好[22]。TAKESHI等[23]研究发现,与冷拔加工热轧态 SCM420 钢相比,冷拔加 工球化退火态 SCM420钢在后续淬火时的奥氏体 晶粒更容易长大而出现混晶现象,这与不同处理方 式影响 AlN 析出相粒径和分布状态有关。因此,可 通过热处理改变 AlN 析出相的粒径和分布状态,从 而消 除 奥 氏 体 混 晶 现 象。 与 SCM420 钢 相 比, SCM440钢除了含有更多的碳外,其他元素含量标 准范围相同,因此推测在上述加工条件下,SCM440 钢经淬火时其奥氏体也会出现与 SCM420钢相同 的现象。席志伟等[24]研究发现:采用不同预备热处 理工艺时,亚温淬火-回火处理后42CrMo钢的硬度 差别很小,但冲击性能均高于常规调质处理后的;预 备热处理为退火处理时,亚温处理后残留的铁素体 粗大,且不均匀分布在回火索氏体之间;预备热处理 为淬火处理和调质处理时,残留的铁素体形态细小, 且均匀分布在回火索氏体之间,亚温处理后的冲击 功 最 大。 徐 尚 呈 等[25] 研 究 发 现,当 渗 碳 轴 承 钢 SAE4320出现奥氏体混晶时,经740~760 ℃保温 2h空冷处理后奥氏体晶粒度可达7.0~8.0级,原 奥氏体混晶现象消除。因此,当 SCM440钢组织中 出现奥氏体混晶时,可采用合适的热处理工艺以消 除混晶。
2.5 调质处理工艺
2.5.1 淬火温度
淬火温度对钢的组织有重要影响。如果淬火温 度偏低,则冷却后组织中会保留部分先共析铁素体, 这对提高材料冲击性能有利[24,26],但淬火后钢中会 出现淬火软点,这种组织的不均匀性可能会影响回 火后的力学性能。但是淬火温度过高易引起奥氏体 晶粒粗化,淬火后得到粗大马氏体,导致钢的脆性增 大,低温冲击性能降低。马跃新等[27]研究发现:原 始非平衡组织的类型基本不会影响30CrMnSiA 钢 亚温淬火的效果;对非平衡组织钢进行亚温淬火后, 与常规调质处理后的相比,其强度和硬度基本不变, 但冲击功提高一倍左右,塑性也大幅提高;亚温淬火 能够明显抑制钢的可逆回火脆性。王明礼等[28]研 究发现,在同一回火温度(630 ℃)下,当淬火温度为 800~840 ℃时,42CrMo钢的低温冲击功随着淬火 温度的升高而增加,而当淬火温度超过840℃时,冲 击功降低,这是因为随着淬火温度的升高,溶解于奥 氏体中的铁素体增多,淬火后马氏体增多,回火后得 到的回火索氏体增多,未溶铁素体较少,因此钢的冲 击功增加,但是当淬火温度超过840℃时,原始组织中的铁素体已经全部溶解,若再提高淬火温度,将使 奥氏体的晶粒粗大,造成淬火后的马氏体粗大,致使 回火后得 到 粗 大 的 回 火 索 氏 体,最 终 导 致 冲 击 功 降低。
2.5.2 淬火后冷处理
淬火后冷处理可降低钢中残余奥氏体的含量, 并使钢中析出细小碳化物,从而提高钢的硬度、耐磨 性并延长其使用寿命。葛凯晨等[29]对经860 ℃奥 氏 体 化 后 的 42CrMo 钢 和 40CrNiMo 钢 进 行 -70 ℃×1h冷处理,然后在不同温度保温2h进 行回火处理,发现冷处理不能明显改善钢的显微组 织或提高钢的常温力学性能,但能显著提高钢的低 温(-40 ℃)冲击功,且随回火温度的升高,低温冲 击功提高的幅度增大。张海东等[30]研究发现,相比 于常规热处理,42CrMo钢经浅冷处理(-80 ℃× 12h)和深冷处理(-196 ℃×12h)后硬度略微下 降,冲击功有所增大,并且试样经深冷处理后的冲击 功增大程度高于浅冷处理后的。
2.5.3 回火处理
一般情况下,随着回火温度的升高,钢的强度、 硬度降低,塑性、韧性增加。但对于一些结构钢,随 着回火温度的升高,钢的冲击韧性并非连续提高,而 是在某些回火温度区间出现显著下降的现象,这种 现象称为钢的回火脆性。用 SCM440 钢生产 10.9 级风电螺栓时,其回火温度处于第二类回火脆性温 度范围,通常采用降低钢中杂质元素含量、加入适量 钼或钨抑制杂质元素向晶界偏聚、加入铌钒钛等细 化奥氏体晶粒元素、回火保温后采取快速冷却方式 等措施,防止或减轻第二类回火脆性。陈俊丹等[31] 研究发现:42CrMo钢经850 ℃×4h水淬+500~ 650℃回火水冷后,其-12 ℃冲击功随回火温度的 升高先增大后减小,600 ℃回火后的冲击功最大,为 104J;碳化物的形貌和分布是影响42CrMo钢低温 冲 击 性 能 的 关 键 因 素。 杨 敏 等[32] 研 究 发 现, 42CrMo钢经淬火及550~650 ℃回火处理后,随着 回火温度的升高,碳化物形貌由片状向片粒状转变, 屈服强度与抗拉强度降低,而冲击功升高,并未出现 文献[31]中在600℃回火温度下达到峰值后随着回 火温度升高而降低的现象。
与传统加热方式相比,感应加热方式具有节约 能源、加热速率快、温度控制准确、生产效率高、表面 氧化层少、损耗低等优点。余伟等[33]对比研究了淬 火+缓慢加热回火的传统调质处理与淬火+感应加热回火的新调质处理工艺对高强度钢组织和性能的 影响,发现:两种工艺下钢的显微组织均主要为板条 宽300~500nm 的马氏体,但淬火+感应加热回火 调质处理后,板条组织更明显,且组织中存在尺寸约 20nm 的析出物,比传统调质处理后的细小;淬火+ 感应加热至500℃回火后试验钢的断后伸长率大于 16%,-40 ℃冲击功达到32J,优于传统调质处理 后的,这是由淬火+感应加热回火后组织中存在更 多小尺 寸 析 出 物 和 残 余 奥 氏 体 导 致 的。 林 君 泓 等[34]也得到相似结论,即:42CrMoA 钢制 M36 风 电螺栓经中频感应与网带炉调质后,强度和硬度基 本相当;与网带炉调质处理后的风电螺栓相比,中频 感应调质处理后组织更均匀、细小,塑韧性更好,断 面收缩率、断后伸长率和低温(-40 ℃)冲击功分别 提高了24.39%,8.82%及81.22%。
2.5.4 调质处理次数
调质处理的主要目的是调整组织,减少碳化物, 获得索氏体组织或索氏体和均匀分布的粒状碳化物 组织。多次调质处理有利于得到微细的等轴晶粒。 42CrMo钢经过二次调质处理后,残余奥氏体含量 减少,晶粒细化,低温冲击功、屈服强度、抗拉强度均 明显提高;经过三次、四次调质处理后,低温冲击功、 屈服强度、抗拉强度无明显变化,残余奥氏体基本消 失,晶粒进一步细化[35]。
3 热轧盘条生产10.9级大规格风电螺栓现状
随着盘条生产技术的提升以及冷镦工艺装备的 发展,越来越多的热(温)锻棒材被热轧盘条替代,但 是在产品替代过程中,发现在同等热处理条件下,与 用热(温)锻棒材生产的螺栓相比,用热轧盘条生产 的风电螺栓的强度、硬度基本不变,但-45 ℃的 V 型缺口冲击功降低了5~10J,且用热轧盘条生产的 螺栓甚至出现低温冲击性能不合格现象,需要进行 二次调质处理才能满足低温冲击韧性要求,这增加 了产品生产成本,降低了产品市场竞争力。
用于 生 产 10.9 级 风 电 螺 栓 的 ?30 mm 和 ?36mmSCM440钢热轧盘条采用加勒特大盘卷方 式生产,在生产过程中吐丝后的盘条采用集卷冷却 方式,冷却速率较低。SCM440钢中含有较高的碳 和合金元素,其热轧盘条组织为铁素体、珠光体和贝 氏体的混合组织;而在采用集卷冷却方式时,很难做 到盘卷各部位冷却速率一致,因此盘条组织一致性 难以得到保证。采用冷镦工艺生产风电螺栓前,必须对SCM440钢热轧盘条进行球化退火处理,以保 证冷镦原料的塑性变形能力。不同原始组织影响着 中碳钢及中碳合金钢退火组织的演变过程。马氏 体、贝氏体原始组织经球化处理后可获得分布均匀 的球化物;粗片状珠光体原始组织的球化速率较慢, 且由于原多边形铁素体的存在,整体碳化物分散度 偏低[36]。原始组织为球化退火组织的钢经调质处 理时,奥氏体首先在碳化物与铁素体的界面处形成, 随后其形成取决于碳化物溶解时碳通过奥氏体的扩 散速率,这造成奥氏体的形成速率较低,从而导致奥 氏体成分均匀性较差,经调质处理后不同区域碳化 物析出数量、形貌存在差异,最终影响成品的低温冲 击性能。在螺栓热(温)锻成型时采用的热(温)锻温 度较低,较低的锻造温度有利于抑制奥氏体晶粒长 大,从而获得细小组织。经热(温)锻后的 SCM440 钢螺栓毛坯采用空冷冷却方式,相当于在调质处理 前对螺栓进行了一次正火处理。正火处理可增加 42CrMo钢调质处理后的组织均匀性,减少心部区 域晶粒 粗 大 的 铁 素 体 数 量,从 而 提 高 平 均 冲 击 功[37]。因此,采用热(温)锻热轧棒材工艺生产的风 电螺栓的低温冲击性能优于采用冷镦热轧盘条工艺 生产的。
4 结束语
广阔的风力发电市场促进了风电技术和装备的 发展。风电用高强度螺栓作为连接结构中的重要零 部件,应具有良好的低温冲击性能。影响高强度风 电螺栓低温冲击性能的因素主要包括晶体结构、化 学成分、调质前原始组织、调质前的加工工艺、调质 处理工艺等。为提高10.9级 M36风电螺栓的低温 冲击性能,应从以下几个方面对热轧盘条及其加工 工艺进行严格控制。
(1)降低有害杂质元素含量,硫、磷质量分数一 般控制0.015%以下;可采用铌钛复合微合金化来 提高SCM440钢的低温冲击性能,但会造成生产成 本增加;采 用 转 炉 →LF 精 炼 → 连 铸 工 艺 生 产 的 SCM440钢中铝质量分数应不低于0.015%,以防止 淬火时奥氏体晶粒长大,从而提高风电螺栓的低温 冲击性能。
(2)应降低SCM440钢中大颗粒非金属夹杂物 的尺寸及数量,以提高钢的低温冲击性能。
(3)SCM440钢热轧盘条组织宜控制为以粒状 贝氏体为主,且组织应具有较好的均匀性。
(4)应尽可能使SCM440钢球化退火后获得细 小球状渗碳体组织,以保证淬火时组织充分奥氏体 化以及淬火后组织的一致性。
(5)在保证奥氏体化前提下,在淬火时应严格 控制淬火温度和保温时间,以防止奥氏体晶粒长大 而出现混晶,最终影响钢的低温冲击性能。
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