CN115386802B - 一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢及其生产方法，包括如下化学成分：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B、Alt，且1.1≤1.2*[Cr]+1.5*[Mo]+2.0*[V]≤1.8；3.0≤([V]+1.3*[Nb])/2.0*[Ti]≤11.0，采用本发明方法生产的大规格风电螺栓可省去淬火+回火处理，经过200±10℃低温回火后抗拉强度Rm≥1000MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥48％，室温冲击功KV2≥50J，疲劳强度≥440MPa，延迟断裂性能R≥3，有良好的强度、塑韧性和疲劳强度，且具有优良的耐延迟断裂性能。
Description
技术领域
本发明属于非调质钢技术领域，具体涉及一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢及其生产方法。
背景技术
紧固件是风电领域应用数量最多的零部件。风电机组零部件种类众多、数量庞大，涉及专业技术范围广阔，以直驱型2MW风电机组为例，其一台整机零部件有550余种，6800余件，而紧固件占所有零部件数量的84％左右。
风电紧固件在技术上有一系列特点：高强度、高精度等级；服务条件严酷，它将随主机一起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；速差大、震动、腐蚀、重载等；除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，还会在工作中受到附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷；附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂。而在环境介质的作用下，轴向拉伸载荷会引起螺栓的延迟断裂，以及高温条件下引起螺栓的蠕变等。
近年来随着风电设备的高性能化和材料应用应力提高，对螺栓提出了更高的设计应力和轻量化的要求，风电螺栓向大规格方向发展。目前，风电高强度螺栓大部分选择10.9级，少量为8.8级，大多数都采用合金结构钢制造，并需要经过调质处理，但调质处理后开裂现象时有发生，对热处理温度及淬火介质极为敏感，产品成材率低，且耗时耗能。实现非调质处理的风电螺栓用钢是未来风电行业发展的趋势。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢及其生产方法，可在省去调质处理步骤的基础上制作出抗拉强度1000MPa以上的φ40-80mm大规格高强度风电螺栓。
本发明还提供了一种10.9级大规格风电螺栓，通过将本发明所述的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢经冷拔→下料→六角头温锻成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理工艺加工得到，其具有良好的强度、塑韧性、疲劳强度和优良的耐延迟断裂性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢，包括如下重量百分比的化学成分：C0.10％～0.19％、Si 0.42％～0.52％、Mn 2.0％～3.0％、Cr 0.60％～0.80％、Mo 0.13～0.28％、V 0.10％～0.20％、Nb 0.015％～0.025％、Ti 0.010～0.020％、B 0.0010～0.0020％、Alt 0.010％～0.025％、P≤0.010％、S≤0.010％、O≤0.0020％、N≤0.0065％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；
其中1.1≤A＝1.2*[Cr]+1.5*[Mo]+2.0*[V]≤1.8；3.0≤B＝([V]+1.3*[Nb])/(2.0*[Ti])≤11.0。
所述10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的金相组织为全粒状贝氏体。
所述10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的经过200±10℃低温回火后抗拉强度Rm≥1000MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥48％，室温冲击功KV2≥50J，疲劳强度≥440MPa，延迟断裂性能R值≥3.0，R＝[Hc]/[He]，其中[Hc]为临界扩散氢含量，[He]为从环境中侵入的扩散性氢含量。
本发明还提供了所述10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH真空脱气→250mm*250mm方坯连铸→优棒轧制→圆钢成品。
所述电炉冶炼步骤中，电炉终点C、P分别控制在C 0.06～0.20％，P≤0.010％；挡渣出钢，出钢至1/5钢水时加入精炼渣和石灰，出钢1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：铝铁→渣料→硅锰→高碳铬铁→钼铁→增碳剂，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
所述LF炉精炼步骤中，钢包全程底吹氩，加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R3-6，白渣时间≥20分钟。根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B、Cu、Ni含量。
所述RH真空脱气步骤中，真空前期，如真空度≤100帕则真空保持时间≥10分钟，如真空度≤200帕则真空保持时间≥15分钟；真空后期真空保持时间≥10分钟；如果需要在中期进行成分调整，则调整后必须保证5分钟以上的真空保持时间；破真空后进行喂钙线处理。出站前进行软吹氩处理，软吹时间≥15min。
所述方坯连铸步骤中，采用全程保护浇铸，钢包到中间包之间采用保护套管+氩封，中间包使用钢水覆盖剂和吹氩保护，中间包到结晶器之间采用浸入式水口；采用二次冷却、末端电磁搅拌和轻重压下结合的方式进行连铸，消除铸坯中心偏析，提高螺栓的机械性能和加工性能，其中，一次冷却水压力5.0～7.0bar，二次冷却水压力9.0～12.0bar，轻重压下量≤30mm，控制钢水过热度35～40℃，连铸拉速控制在2.0～2.3mm/min。
所述优棒轧制步骤中，预热段时间≥60min；加热温度控制在1150～1250℃，均热时间＞30min，优选为40-55min，总加热时间≥200min，优选为210-250min；开轧温度950～980℃，终轧温度830～870℃，终轧后采用保温罩自然冷却至750～800℃，然后采用强风以≥40℃/s的冷却速度快速冷却至450～500℃，随后上冷床或堆垛或入坑缓冷，该过程可实现Φ40-80mm优棒轧制。
本发明还提供了一种10.9级大规格风电螺栓，将本发明所述的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢经冷拔→下料→六角头温锻成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理工艺加工得到。
所述低温稳定化处理步骤为：加热至200±10℃保温85～95min空冷。
本发明提供的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的成分中，各成分作用及控制如下：
C：C元素是获得高的强度、硬度所必需的。为了获得贝氏体型非调质钢所需的高强度，C含量须在0.10％以上，但过高的C含量使贝氏体相变温度过低，大幅度提高钢中的可动位错的密度，使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能，因此和传统铁素体+珠光体型非调质钢相比，适当降低钢中的C含量。C含量宜控制为0.10％～0.19％。
Si：Si是钢中主要的脱氧元素，且作为固溶体硬化元素有助于强度的提高，但硅能显著提高钢的变形抗力，对冷镦和冷挤压不利，Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，并使得C的活性增加，促进钢在轧制和锻造加热过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.42％～0.52％。
Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以促进贝氏体相变。含量小于2.0％时，难以起到上述作用。但Mn含量过高，导致相变后残余奥氏体含量过高，贝氏体相变温度过低，导致钢的屈服强度及屈强比过低，内应力过大，恶化疲劳性能。因而控制Mn含量在2.0％～3.0％。
Cr：Cr能够有效地推迟贝氏体相变，以获得所需的高强度，并且通过固溶强化还能够显著提升贝氏体铁素体硬度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制、锻造过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性和冷加工性，因而控制Cr含量为0.60％～0.80％。
Mo：Mo在钢中的作用主要为促进贝氏体转变。和Ni元素类似，Mo元素价格较高，导致非调质钢成本较高，因此，添加Mo含量应0.13～0.28％。
V：V是钢的优良脱氧剂，钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。V与钢中的N、C元素形成V(C，N)析出相，具有较强的析出强化作用，但是由于贝氏体相变温度较低，在相变过程中V的扩散受到抑制，导致大量V固溶在钢中，但由于V是强碳化物形成元素，固溶的V可显著抑制贝氏体相变过程中C的扩散，可起到细化贝氏体铁素体作用，从而保证高的屈强比，碳氮化钒具有较强的陷阱能，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散和晶界偏聚，从而改善钢的耐延迟断裂性能。V含量过高成本较高，因此，V含量应控制在0.10％～0.20％。
Nb：Nb元素能够明细地细化晶粒，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。同时可改善高强度钢耐延迟断裂性能，因为晶粒较细，还可提高耐蚀性能。Nb的范围可控制在0.015％～0.025％。
Ti：Ti与钢中N、C元素形成Ti(C,N)析出相具有抑制加热过程中晶粒长大的效果，且碳化钛对氢的捕集作较强，与V、Nb复合作用可显著改善钢的耐延迟断裂性能。过高的Ti含量易产生液析大颗粒TiN夹杂物，降低钢的疲劳性能，还易导致锻造裂纹的产生，Ti还可提高耐蚀性，抑制了腐蚀环境中氢的吸收和发生，因此，Ti含量应控制在0.010～0.020％。
B：微量的B元素可显著提高材料的淬透性，同时提高材料的强度，另外B元素可减少应力集中，提高螺栓的缺口敏感性，同时具有良好的冷变形能力，与其他V、Nb、Ti等微合金元素作用共同获得细晶粒组织，降低钢的延迟断裂敏感性，但如果B含量过高，与钢中氧、氮形成化合物，不仅起不到到提高淬透性的作用，还会降低材料的韧性，而且导致成本增加，因此B含量控制在0.0010～0.0020％。
Alt：Alt是较强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，Alt元素还能细化奥氏体晶粒，提高耐延迟断裂性能。另外本发明添加较高Alt元素，与氮结合形成AlN，减少位错的钉扎效应，显著降低蓝脆倾向，同时提高冲击韧性，但Alt含量过高，会形成粗大的碳氮化物引起夹杂物含量增大，耐延迟断裂性降低。Alt含量控制在0.010％～0.025％。
S和P：S、P等杂质元素在晶界处偏聚，将使耐延迟断裂性能大大降低。P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性；S元素形成Mn S夹杂和在晶界偏析，从而增加钢的延迟断裂敏感性，因而P、S含量控制在P≤0.010％、S≤0.010％。
O和N：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量控制T.O≤0.0020％；N在钢中析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，控制N≤0.0065％。
本发明通过添加Cr、B、Mo等促进贝氏体相变的元素，同时适当降低C含量，提高Mn含量，在一定冷速下获得贝氏体组织，化学成分需满足1.1≤A＝1.2*[Cr]+1.5*[Mo]+2.0*[V]≤1.8；采用V-Nb-Ti复合微合金化细化原奥氏体晶粒尺寸，在提高强度的同时，还可以提高韧性，同时还可作为氢陷阱，抑制氢的扩散和使氢均匀分布，提高抗氢致延迟断裂性能；并充分利用固溶V在贝氏体相变过程中抑制C扩散作用来细化贝氏体铁素体及马奥岛尺寸，从而保证高的强韧性和高的屈强比，为获得细晶贝氏体组织，化学成分需满足3.0≤B＝([V]+1.3*[Nb])/(2.0*[Ti])≤11.0。
本发明提供的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的生产方法中，为节约成本，采用“一火成材”的工艺路线，连铸的250mm方坯不需要开坯直接进行轧制，并在轧制的过程中，为了轧制工艺的需要和使V、Nb、Ti的碳、氮化物固溶于奥氏体中，加热温度控制在1150～1250℃，且缓慢加热，保证预热段时间≥60min，防止加热过程中开裂，均热时间＞30min，保证Nb、V元素充分固溶；“一火成材”因只有一次加热，为保证所有元素均匀扩散，总加热时间≥300min。加热后的铸坯经高压水除鳞后进入连轧机组进行轧制，开轧温度950～980℃，在奥氏体再结晶区完成轧制实现再结晶细化，终轧温度830～870℃，较高的终轧温度确保成分组织的均匀性，采用保温罩自然冷却至750～800℃，从而使得相变后组织中残余奥氏体分布均匀。为了获得全粒状贝氏体组织，中温段采用强风以≥40℃/s的冷却速度快速冷却至450～500℃，随后低温段上冷床、堆垛或入坑缓冷，避免马氏体等硬相组织的出现，确保零件自回火充分，从而降低贝氏体中可动位错密度，从而提高发明钢的塑韧性和屈强比。
采用本发明方法生产的优棒，采用冷拔→下料→六角头温锻成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理加工成螺栓。其中低温稳定处理工艺：加热200±10℃保温85～95min空冷，可在镀锌、达克罗等表面处理工艺中结合实现。
采用本发明方法生产的大规格风电螺栓可省去淬火+回火处理，经过200±10℃低温回火后抗拉强度Rm≥1000MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥48％，室温冲击功KV2≥50J，疲劳强度≥440MPa，R≥3，有良好的强度、塑韧性和疲劳强度，且具有优良的耐延迟断裂性能，R值越大耐延迟断裂性能越好。
附图说明
图1为本发明中的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢热轧态显微组织。
具体实施方式
本发明提供的一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢，包括如下重量百分比的化学成分：C 0.10％～0.19％、Si 0.42％～0.52％、Mn 2.0％～3.0％、Cr 0.60％～0.80％、Mo 0.13～0.28％、V 0.10％～0.20％、Nb 0.015％～0.025％、Ti 0.010～0.020％、B0.0010～0.0020％、Alt 0.010％～0.025％、P≤0.010％、S≤0.010％、O≤0.0020％、N≤0.0065％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；
其中1.1≤A＝1.2*[Cr]+1.5*[Mo]+2.0*[V]≤1.8；3.0≤B＝([V]+1.3*[Nb])/(2.0*[Ti])≤11.0。
所述10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH真空脱气→250mm*250mm方坯连铸→优棒轧制→圆钢成品；其中，
电炉冶炼步骤中，电炉终点C、P分别控制在C 0.06～0.20％，P≤0.010％；挡渣出钢，出钢至1/5钢水时加入精炼渣和石灰，出钢1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：铝铁→渣料→硅锰→高碳铬铁→钼铁→增碳剂，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
LF炉精炼步骤中，钢包全程底吹氩，加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R3-6，白渣时间≥20分钟。根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B、Cu、Ni含量。
RH真空脱气步骤中，真空前期，如真空度≤100帕则真空保持时间≥10分钟，如真空度≤200帕则真空保持时间≥15分钟；真空后期真空保持时间≥10分钟；如果需要在中期进行成分调整，则调整后必须保证5分钟以上的真空保持时间；破真空后进行喂钙线处理。出站前进行软吹氩处理，软吹时间≥15min。
方坯连铸步骤中，采用全程保护浇铸，钢包到中间包之间采用保护套管+氩封，中间包使用钢水覆盖剂和吹氩保护，中间包到结晶器之间采用浸入式水口；采用二次冷却、末端电磁搅拌和轻重压下结合的方式进行连铸，消除铸坯中心偏析，提高螺栓的机械性能和加工性能，其中，一次冷却水压力5.0～7.0bar，二次冷却水压力9.0～12.0bar，轻重压下量≤30mm，控制钢水过热度35～40℃，连铸拉速控制在2.0～2.3mm/min。
优棒轧制步骤中，加热温度控制在1150～1250℃，均热时间＞30min，总加热时间≥300min；开轧温度950～980℃，终轧温度830～870℃，终轧后采用保温罩自然冷却至750～800℃，然后采用强风以≥40℃/s的冷却速度快速冷却至450～500℃，随后上冷床或堆垛或入坑缓冷，该过程可实现Φ40-80mm优棒轧制。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
各实施例及对比例中的钢成分如表1所示。
表1
实施例1-5中的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢及对比例中的钢的生产工艺如下：电炉冶炼→LF炉精炼→RH真空脱气→250mm*250mm方坯连铸→优棒轧制→圆钢成品。
其中，实施例中的电炉冶炼、LF炉精炼、RH真空脱气、250mm*250mm方坯连铸步骤的参数控制如表2所示。
表2
实施例及对比例中的优棒轧制步骤的参数控制如表3所示。其中对比例3是采用实施例1的化学成分，但是在优棒轧制步骤中采用表3中的对比例3中的工艺参数生产得到，该方法无法得到全贝氏体组织，不能实现省去调质处理的目的的案例。
表3
实施例1-5、对比例2不需要调质处理，经过200℃保温90min后力学性能如表4所示。从表中可见，实施例中生产得到的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢经200℃保温90min后力学性能均能满足抗拉强度Rm≥1030MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥48％，室温冲击功KV2≥50J，说明实施例具有较好的强韧性，同时具有良好的耐延迟断裂性能，临界扩散氢含量[Hc]与从环境中侵入的扩散性氢含量[He]比值均大于3。虽然对比例2中各化学成分的含量在本发明的范围之内，但是B的数值不在本发明范围之内，经200℃保温90min后力学性能与实施例相比较差。
而对比例1、对比例3需要经过调质处理，调质处理的方法具体为：920℃保温50min油淬火，500℃保温140min回火，即使经过了调质处理也无法满足本发明的性能要求。
表4
实施例1～5中的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢可经冷拔→下料→六角头温锻成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理工艺加工成10.9级规格为φ40-80mm的风电螺栓，其中，低温稳定化处理为200±10℃保温85～95min后空冷。
上述参照实施例对一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种10.9级大规格风电螺栓用非调质钢，其特征在于，包括如下重量百分比的化学成分：C 0.10%～0.19%、Si 0.42%～0.52%、Mn 2.0%～3.0%、Cr 0.60%～0.80%、Mo 0.13%～0.28%、V 0.10%～0.20%、Nb 0.015%～0.025%、Ti 0.010%～0.020%、B 0.0010%~0.0020%、Alt 0.010%~0.025%、P ≤0.010%、S ≤0.010%、O≤0.0020%、N≤0.0065%，其余为Fe和其它不可避免的杂质；
其中1.1≤A=1.2*[Cr]+1.5*[Mo]+2.0*[V]≤1.8；3.0≤B= ([V]+1.3* [Nb] )/（2.0*[Ti]）≤11.0；
所述10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的金相组织为全粒状贝氏体；
所述10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的经过200±10℃低温回火后抗拉强度Rm≥1000MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥48%，室温冲击功KV2≥50J，疲劳强度≥440MPa，延迟断裂性能R值≥3.0，R=[Hc]/[He]，其中[Hc]为临界扩散氢含量，[He]为从环境中侵入的扩散性氢含量 。
2.如权利要求1所述的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH真空脱气→250mm*250mm方坯连铸→优棒轧制→圆钢成品。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述优棒轧制步骤中，加热温度控制在1150～1250℃，均热时间＞30min，总加热时间≥300min。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，预热段时间≥60min。
5.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述优棒轧制步骤中，开轧温度950~980℃，终轧温度830～870℃，终轧后采用保温罩自然冷却至750～800℃，然后采用强风以≥40℃/s的冷却速度快速冷却至450～500℃，随后上冷床或堆垛或入坑缓冷。
6.一种10.9级大规格风电螺栓，其特征在于，将权利要求1所述的10.9级大规格风电螺栓用非调质钢经冷拔→下料→六角头温锻成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理工艺加工得到。
7.根据权利要求6所述的10.9级大规格风电螺栓，其特征在于，所述低温稳定化处理步骤为：加热至200±10℃保温85~95min空冷。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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