风电法兰用钢低温冲击韧度不均匀性原因分析

王启丞

(钢铁研究总院华东分院， 江苏 淮安 223000)

引 言

风能作为一种清洁的再生资源，越来越受到人们的重视。在全球对核风险的谨慎下，洁净的经济性、可再生的新能源——风电将具备更广阔的发展前景，风电用钢的需求增长也将大幅凸现。风电法兰是风电机组的重要部件，风电法兰一旦损坏，整个机器的维修是非常昂贵的，且有可能报废。风电机在低温环境下工作，为了保证机器正常运行，要求法兰具有一定的低温抗脆性破断能力。过去风电法兰用钢采用的是模铸工艺生产的钢锭，但用模铸方法生产的钢锭制造风电法兰成材率只有70%[1]，所以现在许多厂家正研究采用连铸方法生产风电法兰用钢。但连铸方法生产风电法兰用钢的低温冲击韧性不均匀，高低差别很大。所以生产该钢种的主要技术难点在力学性能的要求，尤其是低温冲击韧性的要求上。

1 风电法兰用钢的主要技术指标

1.1 化学成分

风电法兰用钢的化学成分控制标准如表1所示，试验钢化学成分如表2所示。试验生产的2炉钢均符合风电法兰用钢的标准要求。

表1 风电法兰用钢的化学成分控制标准

表2 风电法兰试验钢化学成分分析结果

1.2 低温冲击试验

风电法兰用钢要求-50 ℃时的冲击值大于等于60 J。本试验每炉取10块试样，做低温-50 ℃时的冲击实验，结果如表3所示。

从表3中看出两炉试样的冲击值非常不均匀，其中1#炉冲击值最小值为19 J，有2块不合格；2#炉低温冲击值最小值为25 J，也有2个不合格。

表3 -50 ℃时的冲击功试验结果

2 风电法兰用钢的冲击值不均匀的影响因素分析

2.1 断口分析

图1分别为冲击值19 J和181 J试样的宏观断口形貌，冲击值越大断口塑性变形越大，断口的塑性区(纤维区+剪切唇区)面积也增大。从冲击试样的断口看，无异常断口，断口的放射区为解理断口，塑性区为韧窝状断口，如图2所示。

图1 不同冲击功试样宏观断口形貌

图2 冲击试样微观断口形貌

2.2 金相分析

2.2.1 带状组织分析

1#炉的不合格试样的带状组织为2.5级，合格试样的带状组织为1级，如图3所示；同样2#炉的不合格试样的带状组织为2.5级，合格试样的带状组织为1级，如图4所示。

图3 1#炉不同冲击值试样组织形态

图4 2#炉不同冲击值试样组织形态

2.2.2 夹杂物分析

在光学显微镜下进行夹杂物检验，发现冲击功值小的试样传统型夹杂物级别为A1.0，B0.5，C0，D0.5，DS0。冲击功值大的试样夹杂物级别为A0.5，B0.5，C0，D1.0，DS0。各试样传统型夹杂物检验结果均符合标准要求。但发现试样中碳氮化物的数量是影响冲击功大小的主要因素，图5是两炉试样的冲击功与试样中碳氮化物的关系图，可以看出两炉钢中均为冲击功值小的试样碳氮化物较多，且随着冲击值的降低，碳氮化物明显增多，而冲击值较高的(冲击值218)试样中未发现有碳氮化物，这些碳氮化物经能谱分析主要为Nb(N，C)或Ti(N，C)等，如图6(a)所示，以及以AlN形核的Nb(N，C)或Ti(N，C)，如图6(b)所示，这些颗粒中Ti的含量很高。还有一些是(Ti，Nb)C，这些颗粒中Nb的含量较高，如图6(c)所示，大的碳氮化物尺寸约20 μm。没有发现大颗粒的钒的碳氮化物。

图5 试样冲击功与碳氮化物的关系

图6 碳氮化物夹杂形态及能谱结果

3 分析讨论

通过以上各试样的分析可知，随着冲击功的逐渐减小，断裂由韧窝断裂逐渐转变为解理断裂，即塑性韧窝区面积逐渐减少，韧脆转变温度逐渐提高，未发现异常断口。

通过对以上两炉不同冲击值大小的试样分析发现，造成冲击值偏低的原因主要是大块状的Nb(N，C)或Ti(N，C)等的析出，其次是带状组织的影响。

带状组织中相邻带的显微组织不同，性能也不相同，并具有明显的各向异性，从而造成力学性能降低，所以它对冲击性能也有一定的影响的。

大颗粒的Nb(N，C)和Ti(N，C)及(Ti，Nb)C的存在的影响，这些较大的共晶碳氮化物颗粒是在铸造过程中的钢液中形成的，在均热后仍保持未溶状态，只能以大颗粒夹杂物的形态存在。使材料的塑性降低，促进了裂纹产生及裂纹的加速扩展，造成低温冲击功降低。

Ti是强碳化物形成元素，在钢中主要起细化晶粒和弥散强化的作用，Ti含量高不利于钢的塑性和韧性，尤其是形成大块Ti(N，C)夹杂时，将严重恶化钢的冲击韧性[2]，而且TiC的析出对温度和冷速较敏感，容易造成不同批次钢材或同一批次钢材不同部位的力学性能的波动，故在满足强度要求下要尽量降低Ti含量[3]。

在所有的微合金元素中，Nb的晶粒细化作用最大，可产生明显的晶粒细化和析出强化作用。微合金化元素Nb、V等碳氮化物在奥氏体和铁素体的析出过程可有效的控制变形奥氏体再结晶过程或防止再结晶晶粒长大，从而在奥氏体向铁素体转变时细化成核，得到细小的铁素体晶粒，钢中加入一定量的Nb元素，大大提高奥氏体晶粒粗化温度，但是大块状的Nb(N，C)的析出将严重影响钢的冲击韧性。另外微合金元素的强化效果与其晶格常数大小有关，Nb(N，C)的晶格常数与铁素体晶格常数差异较大，因此Nb(N，C)析出强化效果较高，此外当温度降低到奥氏体→铁素体相变温度，NbC在界面上形成，其周围的奥氏体先贫碳，促进铁素体向两个垂直的方向长大，同时碳原子向奥氏体侧内富集，孕育新的NbC粒子形成，形成微细的纤维状的铁素体与碳化物相间沉淀，这种组织有强化能力，但对韧性不利[5]。

4 结束语

通过以上的组织、夹杂物、化学成分的分析比较得出：1)控制C、Si含量，使珠光体的含量降低，以提高钢的韧性和塑性。2)采用低过热度浇注，降低拉速，减少柱状晶区，以减轻带状组织。3)控制N含量在60×10-6以下，以降低氮化物的析出。4)降低Ti、Nb的含量。