风电用高强度紧固件用钢成分设计及热处理工艺研究

包石磊，许志军，刘 键，白澈力格尔，刘和家

（1.天津荣程联合钢铁集团有限公司，天津300352；2.钢铁研究总院华东分院江苏223000）

0 引言

2010年，我国风电装机总容量突破50 GW，荣升全球风力发电装机容量第一大国。同时风电向大功率和海上发展趋势越来越明显。风电基础螺栓用的10.9级高强度紧固件材料，主要采用GB/T3077中35CrMoA和42CrMoA牌号钢（美国牌号ASETM A193标准中B7），一般规格大于Φ50 mm，要求零件整体热处理后抗拉强度≥1 040 MPa，-40℃冲击功≥27 J。目前高强度耐低温紧固件尚未完全实现国产化，因此，利用我国现有工艺装备研究高强耐低温冲击紧固件用钢，尤其是-40℃以下的低温冲击性能，具有非常大的学术意义和市场前景。

本文从现有GB/T3077中42CrMoA钢的热处理工艺试验、合金成分优化、Ti微合金化的对比试验等进行研究，研究确定了一条工艺性能优异且经济可行的新材料与热处理工艺方案，为风电用高强度螺栓材料选用提供一条经济可行的参考。

1 现有国标材料的热处理工艺试验

1.1 试验材料的生产工艺路线

该钢种对夹杂物控制要求较高，且要拥有优异的塑韧性指标，因此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

试验材料选用GB/T3077中42CrMoA为基础材料[1]，试验材料化学成分控制范围及试样样品实际成分见表1。为保证材料热处理过程晶粒尺寸稳定，采用添加Al元素细化晶粒。样品成分为直读光谱仪分析测定结果。试验材料取样方法、热处理制度及力学性能见表2。

表1 国标42CrMoA化学成分范围及样品成分 wt%

1.3 水冷淬火工艺试验研究

从表2可以看出，GB/T3077中42CrMoA材料性能测试是由Φ25 mm圆毛坯材料按规定的工艺制度进行热处理，其冲击能量测试用样品为U型试样常温下测试结果，无法满足风电用高强螺栓整体热处理后材料力学性能达到抗拉强度≥1 040 MPa，-40℃冲击功≥27 J的要求。

表2 国标材料热处理制度及力学性能

因此，本试验决定对材料整体热处理进行模拟研究。先期试验采用油冷淬火工艺，强度基本在856～917 MPa之间，-40℃冲击功在11～28 J之间，离目标值有较大的差距，具体数据本文不予罗列。

1.3.1 水冷淬火工艺试验数据

经过研究决定采用Φ60 mm样品1圆钢（化学成分见表1）整体进行淬火/水冷+回火/水冷工艺试验，具体热处理工艺制度与力学性能见表3。

表3 国标材料水冷热处理主要性能测试结果

1.3.2 水冷淬火试验结果分析

（1）材料在890℃90 min淬火、550～560℃回火较宽的热处理工艺下，综合性能最优，低温Akv大于27 J，强度介于1 021～1 057 MPa，接近满足风电用高强螺栓的力学性能要求；

（2）提高回火温度至600℃时，低温冲击功明显提高至59 J，但强度显著降低，仅为897 MPa，不能满足风电用高强螺栓的力学性能要求；

（3）通过水冷淬火试验结果，可以看出采用水冷淬火以及提高淬火温度有利于强度增加。

从上述实验可以看出，采用水冷热处理工艺方案，材料整体性能相对于油冷有了一定提高，-40℃冲击功提高至20 J以上，但材料性能离散度较大。采用水冷淬火可以明显起到提高材料淬透性的效果，但国标材料通过热处理后还是难以达到风电用紧固件材料的性能要求，必须在材料成分上予以优化改进。

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一

2.1.1 方案一的设计成分及试验数据

通过上述试验可以看出，GB/T3077标准中大规格42CrMoA钢的工艺性能难以满足用户要求，需要对材料成分和轧制工艺进行优化，以提高强韧性。

众所周知Mn、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明显增加回火脆性，而Mn元素则不明显降低材料的韧性。资料研究表明，较高Mn和低P、S含量的42CrMo基材料，具有优异的低温冲击性能[2]。本试验拟调整Mn目标值至0.85%，试验炉优化样品2的成分见表4。

表4 优化改进材料主要化学成分 wt%

优化样品2的热处理工艺采用原拟定的最优热处理工艺，采用870～890℃淬火/水冷+550～560℃回火/水冷的热处理，热处理工艺试验性能见表5。

表5 成分优化后材料水冷热处理性能

2.1.2 方案一试验结果分析

（1）材料870～890℃90 min淬火、550～560℃回火的热处理工艺下，综合力学性能稳定，低温Akv大于25 J，强度大于1 041 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热处理敏感性相较于样品1明显降低。

从上述实验可以看出，材料提高Mn元素含量后，材料整体性能基本满足风电用螺栓的力学性能，且稳定性相较于样品1有了明显提高。

2.2 优化改进材料成分设计方案二

2.2.1 方案二的设计成分及试验数据

研究资料表明，在钢种加入微量细化晶粒元素（Ti、V等），可以起到细化奥氏体晶粒的作用[2]。资料表明，随着晶粒度级别的提高，低温冲击功越高[3]。这是由于晶粒越细，晶粒越多，晶界就越多，裂纹扩展的阻力就越大，冲击功就越高。方案二是在原优化设计方案一基础上，同时考虑成本最优，选择Ti微合金化处理，对材料的综合性能进行了研究，试验炉目标成分及设计样品3、4成分见表6。

表6 优化改进材料主要化学成分 wt%

设计样品3和4的热处理工艺采用890～910℃淬火/水冷+550～560℃回火/水冷热处理，微合金设计的成分样品热处理后性能见表7。

表7 微合金设计的成分样品水冷热处理后性能

2.2.2 方案二试验结果分析

材料在890～900℃淬火水冷、550～560℃回火水冷的热处理工艺下，综合力学性能稳定，低温Akv大于40 J，强度大于1 100 MPa，满足风电用高强螺栓的力学性能要求。采用微合金Ti处理的样品可以适用更高的淬火温度而不使晶粒长大，可以获得更高强度、更优的低温冲击韧性。

3 结语

（1）通过对GB/T3077中42CrMoA材料热处理工艺进行研究，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介于25～28 J，强度介于1 021～1 057 MPa，但是材料综合性能无法满足零件技术要求。

（2）适当提高合金元素Mn含量的优化设计样品2，通过采用870～890℃淬火/水冷+550～560℃回火/水冷热处理工艺下，综合力学性能有所提高，低温Akv介于25～35 J，强度介于1 046～1 082 MPa，材料综合性能可以满足零件技术要求，但是综合力学性能富余量不大。

（3）采用微合金Ti处理的样品可以适用于更高的淬火加热温度而不使晶粒长大，可以获得更高强度、更优的低温冲击韧性。材料在890～900℃淬火/水冷、550～560℃回火/水冷的热处理工艺下，综合力学性能最优，低温Akv大于40 J，强度大于1 100 MPa，满足风电用高强螺栓的力学性能要求。