10.9 级风电紧固件用钢的开发

陈 颖，李英奎

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210000）

目前石油等不可再生能源日益枯竭，风能作为一种绿色能源，具有无污染、发电成本低、风力发电场建设工期短等优点，风力发电在建设资源节约、环境友好型社会的大环境下得到长足发展。我国有丰富的风能资源，大力发展风力发电无疑是必然趋势。受国家政策影响，2019 年和2020 年国内新增装机容量将急剧增长，中国陆上、海上风电将迎来3 年的“抢装潮”，预计到2021 年风电用钢量高达34.7 万吨[1]。

风电机组由于安装的自然条件恶劣，交通又不方便，风区一般在山间、河谷、海滩安装和维修相对困难，所以对风电紧固件的使用寿命、机械性能、低温冲击等要求也越来越高[2]。随着风电机组的高性能化和材料应用应力提高，主机尺寸减小，减速箱的轻量化，对螺栓提出了更高的设计应力和减重的要求，而最有效的措施是提高螺栓用钢的使用强度[3]。目前，风电高强度螺栓大部分选用10.9 级强度。

影响风电紧固件材料的性能最主要的因素包括材料本身的成分、组织、碳偏析及用户的热处理条件等因素[4]。为保证风电紧固件能够被淬透从而得到较高的强度，要求钢材应具有较高的淬透性，在钢中添加适量的Cr、Mn、Mo、Ni、B 等合金元素可明显提高钢的淬透性和强度[5]，通常选用42CrMo、B7 等钢种制作风电螺栓。

目前多数风电紧固件企业采用42CrMo类中碳铬钼合金结构钢制造风电螺栓。但是制作10.9 级风电紧固后淬透性波动较大，容易出现热处理后断面收缩率不合格（Z ＜48%）的问题和低温冲击功值低，只能采用二次热处理来挽救，还可能因此整批报废，钢厂和用户的损失均比较大，因此研发一种性能稳定的10.9级风电紧固件用钢问题势在必行。

1 10.9级风电紧固件用钢的技术要求

（1）10.9 风电紧固件通常选用42CrMo 类材料，化学成分要求见表1。

表1 熔炼成分 wt%

（2）力学性能：10.9 级风电紧固件的力学性能要求见表2。

表2 力学性能要求

2 10.9级风电紧固件用钢的研发

2.1 技术措施

（1）进行成分设计，研究淬透性的大小对风电螺栓热处理后断面收缩率的影响。

（2）研究不同比水量与铸坯、轧材低倍的关系，改善轧材低倍对面缩率的影响；

（3）用户热处理工艺研究，提高调质后的整体拉面缩率。

2.2 工艺流程

BoF 冶炼→LF 精炼→RH 真空脱气→连铸坯连铸→连铸坯缓冷→铸坯检验→铸坯验收→加热→轧制→矫直→抛丸→联合探伤→表面质量和尺寸检查、检验→包装→标识→称重→入库。

3 10.9级风电紧固件研究过程与分析

3.1 化学成分设计

针对某螺栓厂的热处理设备和热处理工艺，设计符合该厂热处理工艺的化学成分。不同化学成分的圆钢热处理后性能对比。设计5 组化学成分轧制后进行热处理检测，规格均为φ65，检测结果如下：

表3 5 组熔炼成分wt%

表4 不同成分对应的产品淬透性和力学性能

Cr、Mn、Mo 三个元素对淬透性影响比较明显，淬透性高的圆钢，调质后在同一强度范围内，淬透性高的圆钢面缩率较高。

3.2 不同冷却方式对面缩率的影响

在相同条件下进行热处理和试验，相同规格和相同成分的钢，比水量不同，研究产品的致密度对力学性能的影响。低倍检测结果如下，见图1。

图1 不同冷却方式的铸坯低倍和轧材低倍

对轧材低倍按GB/T 226 和GB/T 19795 进行评级，见5。

表5 低倍评级

不同比水量的圆钢调质热处理后的力学性能，性能见表6。

表6 不同比水量的力学性能

增加连铸比水量，圆钢的低倍致密度相比提高，制作风电紧固件调质处理后，面缩率可以提高约5%。

3.3 用户热处理工艺影响

对用户的热处理工艺进行对比研究，得出以下事实，见表7。

表7 不同热处理工艺对面缩率的影响

通过研究用户的热处理工艺，同一钢种，同一热处理温度，采用不同的冷却搅拌方式，从表7中可以看出，冷却搅拌能力强，心部马氏体转变量多，心部硬度较高，说明材料淬透性好，面缩率合格率高。

4 讨论与结果

4.1 合金元素对淬透性的影响

Mn：钢中的Mn 主要作为脱氧剂加入，而且Mn 能与钢中的有害元素S 形成稳定的MnS，从而减轻S 的有害作用；Mn 在钢中发挥显著的固溶强化和晶粒细化的作用，能使钢的强度和韧性显著提高，它还间接地起到提高珠光体钢强度的作用，锰稳定奥氏体结构的能力仅次于镍，并且还强烈地提高了钢的淬透性。

Mo：钼提高钢的淬透性和热强性。在某些介质中防止回火脆性，提高剩磁和矫顽力以及耐腐蚀性。在淬火和回火钢中，钼可以加深和硬化较大截面的部分，提高钢的回火抗力或回火稳定性，使零件在较高温度下回火，从而更有效地（或减少）残余应力，提高塑性。

Cr：能提高可淬性，改善耐磨性，提高耐腐蚀能力，并有利于高温下保持强度。

Si：保证钢件的强度，适当的含量可以改善钢件塑性和韧性。

Ni：能提高钢的强度和韧性，提高钢的淬透性。

所以，在合金元素中适当增加Cr、Mo、Ni、Mn 等元素有利于提高材料的淬透性，从而提高调质处理后的拉伸断面收缩率。

4.2 圆钢致密度对热处理后面缩率的影响

优化连铸冷却工艺，改善轧材组织，轧材低倍比较致密的材料，整体拉面缩率可以提高5%左右。

4.3 热处理工艺和热处理设备影响

通过用户热处理工艺研究和用户热处理设备改进，提高热处理后整体拉面缩率的合格率，面缩率值可以提高5%左右。

5 结论

通过一系列的成分设计试验、连铸冷却对比试验、用户的热处理工艺改进，成功的开发了10.9 级风电紧固件用钢，性能均满足了国标、欧标、美标的要求，高端风电紧固件产品进军了国际市场，解决了高强度风电紧固件容易出现热处理后面缩率不合格的技术难题。