高强度风电螺栓用钢的材料选择与性能研究

李诗斌，冷永磊，尹修刚，张 川，姜彩艳，韩常海

随着国家“十四五”的规划及低碳能源的发展趋势，风能、核能等时髦新兴能源的逐步创新与优化，风电塔由逐渐由陆地转向海洋等领域，努力实行碳中和等指标，对制造各类螺栓紧固件材料提出了更高的要求。风电螺栓用钢要求大规格、高强度、高低温冲击性能的同时，同时对成本也提出更严苛的需求。

目前高强度螺栓采购标准主要为国标的3098 标准，欧标的898 标准。我国风电紧固件的基础要求必须满足3098 标准，目前很多国内厂家主要用钢有：优碳钢、CrMo 系、CrB 系、Cr 系、CrNiMo 系等。本文以10.9 级螺栓用钢的材料选择及控制的各个关键环节为研究对象，通过Mo、Ni 等元素合金化、热轧态及热处理态组织、优化热处理等方面实现了保证高强度的前提下具有良好的低温性能。

1 风电用与钢结构用紧固件的区别

风电用高强紧固件的制造工艺，从技术角度涉及多科学，从生产的角度涉及到多道工序，从管理的角度涉及到多部门、多环节，从措施的角度涉及到生产成本。从技术的角度对钢结构用与风电用紧固件进行区分可以更好的对紧固件的标准引用、 制造工艺、 材料性能和热处理方式等进行阐述。

1.1 采用标准的差异

国内的钢结构领域采用的高强度紧固件标准通常有 9 个标准，而风力发电机组上使用的高强度紧固件国内目前常用的标准也是9 个，此外还有一些来图定制的非标紧固件、叶片螺栓、T 型螺母和莫氏垫圈等。

1.2 引用标准的差异

1.2.1 引用 GB/T3098.1-2000 标准的差异

GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、 螺钉和螺柱》 中对各个等级的紧固件都有具体的数据要求钢结构高强度螺栓和风电高强度螺栓都选用 10.9 级强度标准，但是具体力学性能却有差异。

钢结构和风电用高强度螺栓在服役过程中除要求有足够的强度和塑性外， 还要求有足够的韧度。韧度的评价往往采用冲击吸收功KA 值来表征。在 GB/T3098.1-2000 标准中，对冲击功提出了一定的指标。10.9 级高强度螺栓冲击功为KUA ≥20J。钢结构高强度螺栓的冲击功是采用2mm 的U 型缺口试件在常温下进行；而风电用高强度螺栓的冲击功是采用 V 型缺口试件在-40℃低温检测。因而，前者冲击功为KU2A ≥47J，后者冲击功为KVA (-40℃) ≥27J。

风电用高强度紧固件广泛采用含碳量为 0.25%～0.55%的中碳钢和中碳合金钢，这两种钢在常温下有很好的冲击韧度，但当使用温度低于某一温度时，其冲击韧度下降，端口特征由纤维状变为结晶状，断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理型。这是由于体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金中，温度的变化改变了位错在晶体中运动的摩擦阻力。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可以揭示材料的夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等原材料缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等温锻、热处理等加工缺陷；在低温条件下评定风电用高强度螺栓紧固件的韧脆转变特性，使紧固件不再冷脆状态下工作，保证安全服役。由于环境气候的影响，对我国寒冷地区的风电设备，测定韧脆转变温度为-40℃， 是从冲击韧度角度选用高轻度紧固件的重要依据之一。

1.2.2 其他标准引用的差异

钢结构用高强度螺栓、螺母，表面缺陷分别按GB/T5779.1、GB/T5779.2 的规定执行；风电用高强度螺栓、螺母，表面缺陷除满足上述2 个标准外，针对螺栓还有表面探伤的相关要求，通常引用的标准有 JB/T4730.3-2005 和 JB/T4730.4-2005。

1.2.3 其他尺寸及形位公差引用时的差异

钢结构用高强度螺栓、螺母、垫圈的其他尺寸及形位公差应符合GB/T3103.1-2002 和GB/T3103.3-2000 的 C 级规定；而风电用紧固件引用上述2 个标准的B 级规定。由于风电用高强度紧固件通常采用达克罗表面处理，故还需要满足 GB/T5267.2-2002的相关要求。

1.3 材料选用的差异

1.3.1 材料选用的区别

一般情况下钢结构螺栓材料的选用为：φ ≤M24 的产品，材料选用20MnTiB 钢，M27、M30 螺栓选用35VB 钢。 而风电用高强度螺栓的材料一般选用 42CrMo、B7、42CrNiMo 钢，少量产品也是用20MnTiB、30CrMoSi、35VB 钢。

一般情况下钢结构螺栓螺母选用 45、35 钢，而风电用螺母除使用上述材料外，还可以指定使用35CrMo 钢。

1.3.2 钢材牌号的差异

20MnTiB、35VB、45、35 钢是传统标准推荐的钢材牌号；而35CrMo、42CrMo、42CrNiMo、30CrMoSi 是 GB/T3077-1999《合金结构钢》 中的牌号，B7 钢则是美国《ASTM 技术规范高低温、高压用栓接材料紧固件》标准中的牌号，值得注意的是我国多年来自主开发且应用比较成熟的 35VB 钢却一直没有列入国家材料的标准。高强度螺栓经过调制处理，合金元素对力学性能最主要的作用是增加淬透性，使截面较大的螺栓也可淬透。许多合金元素也给高强度螺栓调制带来了不利的影响，其中很重要的是回火脆性问题，应严格避免，否则会大大降低冲击功值。

高强度螺栓调制淬火时，要求整个截面90%以上获得淬火马氏体组织，即钢材必须淬透。淬火深度不仅与钢材的化学成分有关，也受试样大小、加热温度、冷却介质、冷却方式等影响。20MnTiB、35VB 和35CrMo 钢属于低淬透性合金钢，油淬临界直径一般不大于￠25mm，因此只适宜M24 ～M30 以下钢结构紧固件制造。30CrMoSi 钢是推荐用于高强度紧固件的替代钢种，它有较好的综合性能，在调质状态下具有较高的强度和足够的韧度，淬透性并不高，油淬临界直径为￠ 25mm；而风电用高强度螺栓直径均大于￠30mm，则必须选用 42CrMo、B7和 42CrNiMo 钢，在截面很大是仍有较高的性能。B7 化学成分相当于42CrMo 钢，42CrMo 钢油淬直径为￠ 42mm； 42CrNiMo钢的油淬临界直径为￠45mm，与其他钢种相比，具有更好的冲击韧度和淬透性。对于超过临界直径的大截面螺栓必须用水溶液淬火， 以保证淬硬层深度。

2 生产工艺与研究

2.1 现状分析

依据客户要求生产出的42CrMoA 圆钢，化学成分见表1。在标准热处理工艺（10.9 级螺栓：850℃淬火+560℃回火）条件下，圆钢的原始组织带状较高为2.5 级～3.0 级，采用GB3098 标准加工标准试样（拉伸区直径为3/8D，冲击试样为皮下2mm，缺口V 口，-40℃）屈服强度和冲击吸收能量不能同时满足标准的下限要求见表2，组织为回火索氏体2 级～3 级，见图1。

图1 回火索氏体+少量贝氏体1 级

表1 化学成分%

表2 力学性能

2.2 试验方案

高强度螺栓经过调制处理，合金元素对力学性能最主要的作用是增加淬透性，使截面较大的螺栓也可淬透。许多合金元素也给高强度螺栓调制带来了不利的影响，其中很重要的是回火脆性问题，应严格避免，否则会大大降低冲击功值。

高强度螺栓调制淬火时，要求整个截面90%以上获得淬火马氏体组织，即钢材必须淬透。淬火深度不仅与钢材的化学成分有关，而且也受试样大小、加热工艺、热轧态带状、冷却方式等影响。20MnTiB、35VB 和35CrMo 钢属于低淬透性合金钢，油淬临界直径一般不大于φ25mm，因此只适宜M24 ～M30 以下钢结构紧固件制造。30CrMoSi 钢是推荐用于高强度紧固件的替代钢种，它有较好的综合性能，在调质状态下具有较高的强度和足够的韧度，淬透性并不高，油淬临界直径为φ25mm；而风电用高强度螺栓直径均大于φ30mm，则必须选用42CrMo、B7 和42CrNiMo 甚至更高级别钢材，在截面很大是仍有较高的性能。B7 化学成分相当于42CrMo 钢，42CrMo 钢油淬直径为φ42mm；42CrNiMo 钢的油淬临界直径为φ45mm，与其他钢种相比，具有更好的冲击韧度和淬透性。对于超过临界直径的大截面螺栓必须用水溶液淬火，以保证淬硬层深度。

综合判断，42CrMo 系列满足10.9 级螺栓性能的最经济的钢种。

2.2.1 化学成分配比优化

化学成分是决定钢材疲劳极限的首要因素。碳是影响疲劳极限的主要元素，它既能间隙固溶强化基体，又可形成弥散强化，提高钢材的形变抗力，阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳极限。合金元素在钢种的作用，主要是通过提高钢的淬透性和细化晶粒改善钢的强韧性来提高寿命。合格的化学成分是保证中碳钢和中碳合金钢镦锻性能和热处理后力学性能的基础，对于大于φ30mm 的风电用高强度螺栓，淬火后整个截面保证90%以上获得马氏体组织；既要保证淬透性，又要达到一定的淬硬层深度，因此钢材的化学成分应达到标准的中上限。且强化C、Cr、Mn、Mo 等平均含量应高于标准要求的中限，同时，Ni 含量的加入可以更有效地提升钢材的整体性能。Ni 仿佛一条杠杆上的平衡轴加码，直接解决风电螺栓的强度与韧性不能同时达到的标准的问题。

经多次试验，寻找最优成分见表3。

表3 优化合金成分

2.2.2 轧制工艺优化

热轧后的圆钢棒材组织是棒材热处理后的根本，组织是否均匀、是否平衡是风电螺栓用钢力学性能是否达标的基础，带状是重点指标。在不能调整轧制过程温度的前提下，优化圆钢加热炉内的工艺成为了唯一方案。实验结果显示，当提高加热温度、开轧温度至一定值后，可显著降低带状级别，带状≤2.0 级。注意，温度并不是越高越好，应避免出现钢中魏氏组织甚至过烧。

2.2.3 淬火设备优化

传统工业热处理试验采用电箱炉加热，经淬火槽淬火，回火槽冷却。但淬火介质不同，淬火设备不同，达到的效果不同。承德建龙手工改良淬火槽设备，将原有的水槽制作成孔洞较大，更轻便的水槽，经手动摇摆，保证试样在淬火介质中不动，随着介质的流动，使试样充分打破淬火时试样表面的介质保护膜，保证淬火效果，详见图2、图3。

图2 改良前

图3 改良后

2.2.4 热处理方式优化

设计5 种热处理工艺，原材料采用现有生产的最大φ64 规格具体的热处理工艺见表4，淬火采用箱式炉加热，改进后的淬火槽淬火，水淬，回火在普通回火槽中进行。

表4 不同热处理方案

（1）拉伸试验结果。随着回火温度的升高，抗拉强度呈降低趋势，伸长率在540℃～560℃时保持不变，560℃～580℃时呈逐渐升高趋势。当回火温度为540℃时，材料的抗拉强度达到1145Mpa，伸长率达到15%，当回火温度达到580℃时材料的抗拉强度为1060Mpa，伸长率达到17%，即处在560℃时，强度与断后伸长率均在最优情况。

（2）低温冲击试验结果。室温与-40℃的低温冲击功随回火温度的升高呈增长趋势，当回火温度升高至560℃时，-40℃低温冲击功分别达到70J 以上。

（3）微观组织。微观组织均为均匀的回火索氏体组织1级～2 级。

3 结论

通过Ni 元素的微合金化，确定最优的元素配比，改良淬火工艺后，性能完全满足客户的使用要求。工件既能满足力学性能要求，又相对的节省了生产成本，提高了生产效率。