风电叶片螺栓用钢42CrMo（FD）开发生产实践

张 涛，石维祥，张素梅

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光262711）

1 前 言

风电设备用的高强度紧固件由于野外服役环境恶劣，维修条件差，所以要求其综合力学性能优异，抗低温冲击能力突出。山东寿光巨能特钢试制生产的风电螺栓用钢42CrMo（FD）规格为Φ37.5～56.5 mm，原材料经车削加工、调质处理、滚丝、表面防腐后用于风电设备，对原材料的各项性能要求非常严格。同时为了保证钢材的使用性能，要求钢材具有较高的抗-40 ℃低温冲击性能，以保证钢材能够满足用户的使用要求。山东寿光巨能特钢有限公司在现有生产42CrMoA钢的基础上，对化学成分进行调整，保证钢材的稳定性，同时对冶炼及轧制工艺进行优化，确保钢材的低倍组织、力学性能及淬透性等指标均能够达到要求。

2 工艺设计

通过了解用户使用要求，结合生产42CrMoA钢热处理检验结果，最终确定材料化学成分控制要求见表1。

表1 42CrMo（FD）钢化学成分要求及内控标准 %

1）为了保证材料的淬透性，材料的Mn、Cr、Mo合金含量均按协议的中上限进行控制，同时为保证材料的低温冲击性能，C、Si 含量按协议的中限控制，加强了P、S及Cu含量的控制。2）内控成分加了部分Ti，可以使奥氏体晶粒细化，并且在热轧空冷时生成部分TiC，起到沉淀强化的目的。细小的奥氏体晶粒容易在调质时得到细小的回火索氏体组织，而细小的回火索氏体组织是钢材具有优良综合力学性能的保证。同时，加Ti可以增加回火稳定性并抑制第二类回火脆性。3）该钢种经车削加工或冷拔后调质使用，要求钢材外表面不允许存在完全脱碳层，直径45 mm 以下规格不完全脱碳层深度≤1%D，直径45 mm 以上规格不完全脱碳层深度≤0.8%D。轧制过程通过控制炉内气氛，优化出钢节奏，以达到减少表面脱碳目的。4）以添加微量合金元素Ti 为基础，在热轧过程中对钢坯加热温度、开轧温度、变形量、终轧温度及轧后冷却各工艺参数实现最佳合理控制，以细化奥氏体和铁素体晶粒，并通过沉淀强化、位错强化，充分挖掘钢材内在潜力，提高钢材力学性能。工艺流程：高炉铁水热装→80 t 顶底复吹转炉→70 t LF 炉外精炼→VD 炉真空脱气→R12 m 五机五流连铸机连铸生产180 mm×220 mm 连铸坯→缓冷→分段分散双蓄热高温燃烧加热炉→高压水除鳞→短应力连轧机组→热锯锯切→冷床（加保温罩）收集→入坑缓冷。

3 工艺控制要点及分析

3.1 冶炼工序

P 是对韧性有害的元素，每增加0.01%的P 会使钢材脆性转变温度上升7 ℃，还明显促进回火脆性，因此本钢种对夹杂物、低倍组织及P、S 有害残余元素要求较严，生产时要求：1）冶炼时需确认铁水P 含量，选用P 含量低的铁水冶炼本钢种，杜绝下渣，若P 含量超过0.014%直接改为GB/T 3077—2015。2）为了细化晶粒，控制氧含量，生产时必须保证浇注前Al≥0.023%。3）真空处理60 Pa以下保持时间≥15 min。4）喂CaSi 线2 m/t，出钢后在喂线工位软吹Ar，时间15 min以上。5）连铸时确保结晶器液面稳定，不出现波动，目标拉速1.16 m/min，二冷配水按强冷执行，结晶器电搅参数按180 A/3 Hz设定，末端电磁搅拌参数按350 A/5.5 Hz设定。

3.2 轧制工艺

1）为提高钢材均匀性，加热时严控加热温度以及保温时间：预热段炉气温度≯950 ℃，保温时间＞40 min；加热I段炉气温度1 120～1 200 ℃，保温时间≮40 min；加热II段炉气温度1 200～1 240 ℃，保温时间≮45 min；均热段炉气温度在 1 200～1 240 ℃，保温时间≮45 min。2）轧机采用大压缩比的轧制工艺，以提高渗透变形程度，提高钢材内部质量。3）严格控制轧制温度，通过控轧控冷系统，使塑性变形与固态相变相结合，实现轧制过程温度降低，起到细化晶粒的效果，使钢材具有优异的综合力学性能。4）材料的终轧温度控制在900 ℃以下，钢材经冷床收集后及时入坑缓冷，要求上冷床温度800～850 ℃。轧钢生产过程中上冷床时要加盖保温罩，保证缓冷效果，尽量减少贝氏体含量。

4 产品实物质量检测分析

4.1 力学性能

对试生产的10 炉42CrMo（FD）钢进行检验分析，钢材试样调质处理后（880 ℃保温75 min水淬+570 ℃保温90 min 水冷）。机械性能要求及统计结果见表2。数据显示，材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率均达到协议的要求，表明材料的综合力学性能良好。

表2 42CrMo（FD）钢力学性能

根据大量的同类钢种实际试验经验，设置了11组试验，回火温度设置了560 ℃和575 ℃两个组别，回火保温时间从75～97 min，淬火温度为880 ℃，保温时间55～85 min。通过检测数据显示，回火温度升高，低温冲击数值越高，强度会相应下降。11组数据每组做3个低温冲击试样，低温冲击数据平均值为67，63，62 J。其中炉号0302532M 数据出现低温冲击不合，冲击值为42、40、40 J。经排查原因，确定为该试样热处理炉温度错误，换热处理炉对该炉号试样重新热处理后冲击值为78、80、78 J，数据正常。根据回火温度生成散点图来看，575 ℃回火，低温冲击性能比560 ℃明显偏高。通过数据分析，确定最佳热处理制度为880 ℃保温75 min 水淬+575 ℃保温90 min 水冷。当热处理工艺为880 ℃ 73 min水冷、575 ℃97 min 水冷时冲击值为76，78，70 J，冲击值较好，与图表分析出的热处理工艺基本吻合。

4.2 钢材低倍组织

钢材经热酸浸蚀后的低倍组织良好，取22 个低倍样片进行检验，评级均为一般疏松0.5级，中心疏松1.0 级，锭型偏析0.5 级。数据聚合性非常好，不存在离散点，表明该批钢材组织均匀性非常好。

4.3 脱碳层、带状及夹杂物

钢材要求脱碳层＜1%D，实测数据为0.15～0.35 mm，钢材的带状组织11 片，其中9 片试样为2级，2 片为2.5 级，均符合协议要求。同时钢材的纯净度较好，见表3。

表3 各类夹杂物的统计 级

4.4 化学成分

实际生产过程中对钢材进行化学成分检测，均在内控范围内。

5 结 语

42CrMo（FD）是在 42CrMoA 基础上通过对化学成分进行适当调整，通过提高钢水纯净度、对轧制工艺改进，使材料的低温冲击性能得到改善，使其在屈服抗拉性能良好的同时实现低温冲击性能的有效提高。自该钢种试制成功后，批量生产约1 000 t 并交付用户，全部用于制作风电叶片用螺栓。通过对用户加工、使用过程进行跟踪了解到，材料在使用过程中质量稳定，各项指标均能满足用户要求，获得用户认可。