CN110643881A - 一种大规格风电紧固件用钢及其制造方法 - Google Patents

一种大规格风电紧固件用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规格风电紧固件用钢，其元素组成以质量百分比计含有：C：0.38‑0.45％、Si：0.20‑0.35％、Mn：0.60‑0.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：0.95‑1.20％、Mo：0.18‑0.30％、Ni：0.10‑0.25％、Nb：0.02‑0.08％、Al：0.020‑0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；热处理后该钢的心部具有90％以上的马氏体组织，心部表面硬度差异小，尤其低温冲击性能较为优异，具有较好的力学性能，拉伸性能满足10.9级强度要求，可满足用户对48mm‑65mm大规格风电紧固件用钢的加工使用要求。

Description

一种大规格风电紧固件用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种紧固件用钢及其制造方法，具体涉及一种大规格风电紧固件用钢及其制造方法。
背景技术
目前，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。随着风电机组的高性能化、材料应用应力提高、主机尺寸减小以及减速箱的轻量化，对螺栓提出了更高的设计应力和减重的要求，而满足该要求的最有效的措施是提高螺栓用钢的使用强度。风电机组服役条件严酷，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，承受高温、低温的侵蚀，承受各种轴向拉伸载荷、剪切载荷或弯曲载荷，还有冲击载荷，要求螺栓需具备较好的强韧性。
风电螺栓的力学性能稳定性主要受紧固件用钢淬透性的制约，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等合金元素可明显提高钢的淬透性和强度。通常选用42CrMo、B7等钢种制作10.9级风电螺栓，但是，往往因为成分设计不合理，淬透性波动较大，热处理工艺参数选用不恰当等原因，容易出现断面收缩率不合格(Z＜48％)的问题。当出现这一问题时，只能采用二次热处理来挽救，有时还可能因此整批报废。此外，为了提高淬透性而大量添加合金元素也会降低螺栓韧性(风电螺栓对韧性要求AKv2(-40℃)≥27J。
生产中常用临界直径来衡量钢的淬透性，风电用高强度螺栓直径均大于Ф30mm。而42CrMo、B7钢的淬透临界直径为Ф42-48mm，如果采用这些钢种制造48mm以上的大规格螺栓，其表面与心部性能差异极大，很容易造成成品面缩率不合、低温冲击性能差等问题，甚至导致延迟断裂的发生。因此，使用传统42CrMo、B7钢制造大尺寸风电螺栓会对风机造成极大的安全隐患。目前，中碳CrMo钢在轧制生产过程中，很容易发生贝氏体化，而产生弯钢的问题，弯曲度超标(＞0.4％L)的轧材需挑选出来矫直处理，增加了后道精整的压力，给生产带来很大的困难，订单交货期也会相应延后。
综上所述，针对大尺寸风电紧固件用钢存在的问题，有必要研发一种满足大规格风电螺栓服役安全稳定要求的风电紧固件用钢。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种大规格风电紧固件用钢，该钢能够满足
Figure BDA0002195834190000021
风电紧固螺栓的技术要求。
本发明的另一目的是提供一种上述钢的制造方法。
技术方案：本发明所述的一种大规格风电紧固件用钢，其特征在于，元素组成以质量百分比计含有：C：0.38-0.45％、Si：0.20-0.35％、Mn：0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：0.95-1.20％、Mo：0.18-0.30％、Ni：0.10-0.25％、Nb：0.02-0.08％、Al：0.020-0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；
且该元素组成满足淬透性公式：
Figure BDA0002195834190000022
其中：
Figure BDA0002195834190000023
Di＝25.4×(0.171+0.001×C+0.265×C2)×(1.000+3.333×Mn)×(1.000+0.700×Si)×(1.000+0.363×Ni)×(1.000+2.160×Cr)×(1.000+3.000×Mo)×(1.000+0.365×Cu)
b＝0.22Di-0.34
式中，x为端淬距离，硬度分布为J(x)，C为碳含量，Di为从端部至半马氏体(50％马氏体)的深度，b为端部至全马氏体(100％马氏体)的深度；
热处理后该钢的心部具有90％以上的马氏体组织。
该技术方案的原理是：基于合金元素成分优化设计，解决大规格风电螺栓热处理后的性能波动，并对元素组成进行窄成分控制，利用上述优化的淬透性计算方法确定发明中C、Mn、Si、Mo、Cr、Ni元素的含量，保证J25处的淬透性，实现淬透性带宽小于3HRC，热处理后表面、心部硬度差异较小。
其中，合金元素成分优化设计的依据如下：
C：获得高强度及淬透性的主要元素，C含量需在0.38以上。含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低，因此C含量上线不超过0.45％。
Si：能提高钢的弹性极限，但影响冷加工性能，对淬透性影响不大，同时不影响钢的塑性延伸率及断面收缩率，因而控制其含量在0.20％以上，但不超过0.35％。
Mn：能提高钢的淬透性，但Mn在钢的凝固过程易产生偏析，在淬火回火时，Mn易偏聚于晶界，促进回火脆性，降低Mn含量有利于减少钢坯偏析，为保证性能稳定，Mn含量控制在0.60-0.80％。
P：提高钢的冷脆性，是有害残存元素。在钢液凝固时形成微观偏析，增加钢的延迟断裂敏感性，因此控制P含量在0.015％以下。
S：提高钢的热脆性，恶化热加工性能；在钢液中形成MnS夹杂(A类夹杂物)，恶化钢的冷加工性能和延迟断裂性能，因而控制其含量在0.010％以下。
Cr：能有效提高钢的淬透性，改善耐磨性，提高耐腐蚀能力，并有利于高温下保持强度，但含量过高会恶化钢的冷加工性能，为了保证钢的J25处淬透性，将Cr含量控制在0.95-1.20％。
Mo：能控制可淬性，降低钢对回火脆性的敏感性，防止钢在高温回火后出现回火脆性，对提高高温回火条件下的抗拉强度有很大影响，但含量过高会恶化螺栓的延迟断裂性能，Mo含量控制在0.18-0.30％。
Ni：能够提高钢的淬透性和改善低温冲击韧性。Ni可以提高钢的稳定性和腐蚀抗力，抑制氢的吸附，可改善耐延迟断裂性能。但含量过高会作用效果饱和，且增加生产成本，Ni控制在0.10-0.25％较为合适。
Al：铝可提高钢的淬透性，细化晶粒，同时不损伤钢的韧性，钢中酸溶铝量应控制在0.020-0.050％。
Nb：能够细化晶粒，提高钢的韧性，同时其碳化物为很强的氢陷阱，可改善钢的耐延迟断裂性能。含量低于0.02％起不到上述效果，但含量超过0.08％则作用饱和。
N：与钢中Al、Nb形成细小氮化物可细化晶粒，但过量的N会与Ti在高温形成大尺寸夹杂物，N含量应小于0.008％。
进一步的，经热处理后，对于48-65mm规格圆钢，心部硬度与表面硬度差小于3HRC。
进一步的，该钢的断面收缩率≥52％。
钢的-45℃低温冲击韧性Akv2＞40J。满足风电螺栓对低温冲击功的要求，且富余量较多。
钢的弯曲度不大于0.4％L，其中L为长度。显著改善了中碳CrMo钢易弯钢的问题。
钢的屈服强度≥980Mpa，抗拉强度≥1090Mpa。满足10.9级风电紧固件用钢的技术要求。
对应于上述大规格风电紧固件用钢，本发明所述的制造方法，其特征在于，工艺路线为转炉或电炉炼钢→LF炉精炼→RH或VD炉真空脱气→连铸→连铸坯缓冷→铸坯验收→坯料加热→棒材轧制→联合探伤；包括如下步骤：
(1)LF炉精炼时间≥30min
(2)当采用RH炉时，RH炉真空度≤5毫巴，保持时间≥10min；当采用VD炉时，VD炉真空度≤1毫巴，保持时间≥10min；
(3)连铸中间包过热度控制在10-30℃；连铸执行全保护浇注，正常使用末端电磁搅拌；
(4)连铸坯优先入坑缓冷，若不具备入坑缓冷条件，则在厂房内避风堆冷；
(5)连铸坯经过1140-1220℃加热保温100min后进行轧制，开轧温度1020-1220℃；进KOCKS轧机温度840-900℃，轧后自然冷却。
(6)轧材100％进行超声波+漏磁探伤，超声波探伤精度为GB/T4162的A级。
有益效果：本发明通过优化合金元素成分设计，解决大规格风电螺栓热处理后的性能波动，同时利用优化的淬透性计算方法确定发明中C、Mn、Si、Mo、Cr、Ni元素的含量，保证J25处的淬透性，实现淬透性带宽小于3HRC，满足48-65mm的大规格风电紧固件对材料的性能要求。热处理后钢的心部具有90％以上的马氏体组织，实现完全淬投，表面、心部硬度差异较小。
具体而言，通过将本发明的风电紧固用钢和42CrMo国标材在相同的热处理条件下整体热处理，按照风电螺栓的取样标准取样。对比可知，本发明的钢强度满足10.9级风电紧固件用钢的技术要求，断面收缩率较为优异，最低为52％。且钢的硬度稳定性与低温冲击性能显著提高，满足尺寸规格在48-65mm的大规格风电紧固件对材料的性能要求。经过整体热处理后该钢心部与表面硬度差小于3HRC，-45℃低温冲击功Akv2大于40J，满足风电螺栓对低温冲击功的要求，且富余量较多。通过调整控轧控冷，弯曲度均满足不大于0.4％L的要求，改善了中碳CrMo钢易弯钢的问题。
附图说明
图1本发明圆钢边部100倍显微金相照片；
图2本发明圆钢1/2半径处100倍显微金相照片；
图3本发明圆钢心部处100倍显微金相照片；
图4本发明圆钢心部处500倍显微金相照片；
图5本发明圆钢整体热处理后边部100倍显微金相照片；
图6本发明圆钢整体热处理后1/2半径处100倍显微金相照片；
图7本发明圆钢整体热处理后心部处100倍显微金相照片；
图8本发明圆钢整体热处理后心部处500倍显微金相照片。
具体实施方式
本发明的元素组成以质量百分比计含有：C：0.38-0.45％、Si：0.20-0.35％、Mn：0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：0.95-1.20％、Mo：0.18-0.30％、Ni：0.10-0.25％、Nb：0.02-0.08％、Al：0.020-0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；且该元素组成还需要满足淬透性公式：
Figure BDA0002195834190000051
其中：
Figure BDA0002195834190000052
Di＝25.4×(0.171+0.001×C+0.265×C2)×(1.000+3.333×Mn)×(1.000+0.700×Si)×(1.000+0.363×Ni)×(1.000+2.160×Cr)×(1.000+3.000×Mo)×(1.000+0.365×Cu)
b＝0.22Di-0.34
式中，x为端淬距离，硬度分布为J(x)，C为碳含量，Di为从端部至半马氏体(50％马氏体)的深度，b为端部至全马氏体(100％马氏体)的深度。
为了验证本发明各元素限定范围均能实现技术效果，按照上述元素组成要求，冶炼6炉本发明的风电紧固件用钢，并按照GB/T 3077-2015中要求冶炼3炉42CrMo钢作为对比钢，实施例与对比钢的化学成分如表1所示(余量为Fe和杂质)。以下为本发明钢的具体实施例，1、2、3、4、5、6为发明钢，7、8、9为对比钢。
表1实施例和对比钢的化学成分(wt％)
编号 C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Alt Nb N/ppm
1 0.41 0.25 0.75 0.010 0.002 1.12 0.15 0.23 0.02 0.025 0.02 67
2 0.42 0.27 0.60 0.007 0.003 1.20 0.10 0.22 0.02 0.022 0.03 44
3 0.40 0.24 0.74 0.015 0.005 1.15 0.16 0.18 0.01 0.050 0.04 59
4 0.38 0.27 0.80 0.009 0.007 1.07 0.15 0.30 0.03 0.031 0.05 67
5 0.45 0.20 0.76 0.007 0.010 1.02 0.14 0.22 0.02 0.020 0.08 80
6 0.41 0.35 0.72 0.008 0.004 0.95 0.25 0.24 0.03 0.029 0.07 64
7 0.42 0.24 0.65 0.008 0.005 0.98 0.02 0.18 0.02 0.022 0.003 87
8 0.41 0.23 0.64 0.009 0.006 0.97 0.02 0.17 0.03 0.017 0.003 95
9 0.40 0.26 0.64 0.010 0.005 0.95 0.02 0.18 0.02 0.019 0.003 81
表2制造工艺参数
Figure BDA0002195834190000061
按照表2的制造工艺参数，发明钢的弯钢比例明显低于对比钢，如表3所示：
表3生产结果
Figure BDA0002195834190000062
Figure BDA0002195834190000071
本发明钢控轧控冷，弯曲度均满足不大于0.4％L的要求，无需矫直，而对比钢都有不同比例的弯钢存在，需要后道矫直才可交货。
在相同的热处理条件下整体热处理，在1/4D处取样，试样大小3/8D，结果如表4-6所示：
表4检验结果1
Figure BDA0002195834190000072
表5检验结果2
表6检验结果3
Figure BDA0002195834190000074
Figure BDA0002195834190000081
从上表可以看出，本发明钢和42CrMo国标材在相同的热处理条件下整体热处理，按照风电要求的取样标准取样，本发明钢强度的可满足10.9级风电紧固件用钢的技术要求，断面收缩率较为优异，最低为52％；而对比钢42CrMo屈服强度、抗拉强度、面缩率等均较低，不满足10.9级风电紧固件用钢的要求。并且，本发明钢较对比钢42CrMo的硬度稳定性与低温冲击性能显著提高，满足尺寸规格在48—65mm范围内风电螺栓对材料的性能要求。本发明钢经过整体热处理后，心部具有95％以上的马氏体组织，完全被淬透，心部与表面硬度差小于3HRC，而对比钢42CrMo硬度波动≥7HRC。发明钢低温冲击功Akv2(-45℃)均大于40J，满足风电螺栓对低温冲击功的要求(AKv2(-45℃)≥27J)，富余量较多，而对比钢的低温冲击功Akv2(-45℃)明显较低，最低仅为25J。本发明钢控轧控冷，弯曲度均满足不大于0.4％L的要求，无需矫直，而对比钢都有不同比例的弯钢存在，需要后道矫直才可交货。
上述对比结果表明，发明钢具有较好的力学性能，拉伸性能满足10.9级强度要求，热处理后心部表面硬度差异小，尤其低温冲击性能较为优异，可满足用户对48mm-66mm大规格风电紧固件用钢的加工使用要求。

Claims (7)

1.一种大规格风电紧固件用钢，其特征在于，元素组成以质量百分比计含有：C：0.38-0.45％、Si：0.20-0.35％、Mn：0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：0.95-1.20％、Mo：0.18-0.30％、Ni：0.10-0.25％、Nb：0.02-0.08％、Al：0.020-0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；
且该元素组成满足淬透性公式：
Figure FDA0002195834180000011
其中：
Figure FDA0002195834180000012
Di＝25.4×(0.171+0.001×C+0.265×C2)×(1.000+3.333×Mn)×(1.000+0.700×Si)×(1.000+0.363×Ni)×(1.000+2.160×Cr)×(1.000+3.000×Mo)×(1.000+0.365×Cu)
b＝0.22Di-0.34
式中，x为端淬距离，硬度分布为J(x)，C为碳含量，Di为从端部至半马氏体(50％马氏体)的深度，b为端部至全马氏体(100％马氏体)的深度；
热处理后该钢的心部具有90％以上的马氏体组织。
2.根据权利要求1所述的大规格风电紧固件用钢，其特征在于，经热处理后，对于48-65mm规格圆钢，心部硬度与表面硬度差小于3HRC。
3.根据权利要求2所述的大规格风电紧固件用钢，其特征在于，断面收缩率≥52％。
4.根据权利要求2所述的大规格风电紧固件用钢，其特征在于，钢的-45℃低温冲击韧性Akv2＞40J。
5.根据权利要求2所述的大规格风电紧固件用钢，其特征在于，钢的弯曲度不大于0.4％L，其中L为长度。
6.根据权利要求2所述的大规格风电紧固件用钢，其特征在于，钢的屈服强度≥980Mpa，抗拉强度≥1090Mpa。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的大规格风电紧固件用钢的制造方法，其特征在于，工艺路线为转炉或电炉炼钢→LF炉精炼→RH或VD炉真空脱气→连铸→连铸坯缓冷→铸坯验收→坯料加热→棒材轧制→联合探伤；包括如下步骤：
(1)LF炉精炼时间≥30min
(2)当采用RH炉时，RH炉真空度≤5毫巴，保持时间≥10min；当采用VD炉时，VD炉真空度≤1毫巴，保持时间≥10min；
(3)连铸中间包过热度控制在10-30℃；连铸执行全保护浇注，正常使用末端电磁搅拌；
(4)连铸坯优先入坑缓冷，若不具备入坑缓冷条件，则在厂房内避风堆冷；
(5)连铸坯经过1140-1220℃加热保温100min后进行轧制，开轧温度1020-1220℃；进KOCKS轧机温度840-900℃，轧后自然冷却。
(6)轧材100％进行超声波+漏磁探伤，超声波探伤精度为GB/T4162的A级。
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