CN115747678B

CN115747678B - 风电用高强度螺栓用钢及风电用高强度螺栓

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Publication number: CN115747678B
Application number: CN202211653246.XA
Authority: CN
Inventors: 夏勇; 常帅; 陈迎军
Original assignee: Aipu Parts Manufacturing Suzhou Co ltd
Current assignee: Aipu Parts Manufacturing Suzhou Co ltd
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2042-12-22
Also published as: CN115747678A

Abstract

本发明揭示了风电用高强度螺栓用钢及风电用高强度螺栓，所述钢包括以下组分（质量百分比），C：0.38‑0.42，Si：≤0.25；Mn：0.4‑0.6；P：≤0.015；S：≤0.01，Cr：0.9‑1.2，Ni：0.4‑0.7；Mo：0.4‑0.6；Cu：≤0.03；V：0.25‑0.35，B：0.0005‑0.001；Ti：0.03‑0.08，Al：0.015‑0.035，Nb：0.02‑0.05。通过对以上组分进行热处理工艺制得风电用的高强度螺栓。本发明的有益效果在于：利用本发明所述的材料及工艺制备的含钒铌钛超高强贝氏体组织螺栓，可将传统风电用的10.9级螺栓升级为15.9级，基体组织为抗拉强度达到1600MPa～1750MPa，屈服强度1450‑1580Mpa，断面延伸率大于13%，断面收缩率大于52%，低温（‑40℃）冲击韧性大于27J，能有效的满足大功率风电装备的使用工况。

Description

风电用高强度螺栓用钢及风电用高强度螺栓

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，尤其涉及一种风电用高强度螺栓用钢及风电用高强度螺栓。

背景技术

风能作为一种清洁高效的可再生能源，被人类广泛利用。根据对国内外风力发电的发展现状和前景进行分析，风电作为替代石化能源的最佳选择已成必然。风力发电市场前景广阔，随着风电技术的发展，风机装机容量与日俱增，风机单机容量也迅速变大，风电技术日趋成熟。风电用高强度螺栓作为风机连接结构中的重要零部件，对用于风力发电机组的大尺寸高强度紧固螺栓研究显得尤为重要，且随着大兆瓦风机的量产，对超高强螺栓的需求更为明显。除了对高强螺栓有更高强度的同时还需要很高的韧性，同时，由于风机有时会安装在极寒地区，所以对螺栓的低温冲击韧性也有着特别高的要求。

目前的风电紧固件普遍采用42CrMo材质通过调质处理工艺，热处理组织为回火索氏体，其最高强度级别为抗拉强度1000-1200MPa（10 .9级），屈服强度900-1080Mpa，断面伸长率大于9%，断面收缩率大于48%，低温（-20℃）冲击韧性大于27J。

传统M42级螺栓由于高强度螺栓具有很高的缺口敏感性，当抗拉强度超过1000-1200MPa时，延迟断裂现象突出，易在缺口集中部位如杆与头部的过度处或螺纹根部产生延迟断裂和疲劳断裂而导致早期失效，且低温条件下韧性下降很多，冲击韧性不能满足要求，所以传统调质工艺获得的索氏体组织螺栓虽然有一定的强度，但韧性不能满足风电使用要求，尤其低温服役条件下断裂风险很大。

基于风电设备轻量化、大功率是风电装备产业的发展方向，通过提高螺栓强度，不仅可以减轻风电设备自身重量，还可以将与螺栓相连接的部件尺寸经优化设计而减小，使得装备在满足使用工况的同时保证外形尺寸的紧凑性。

传统10.9级螺栓采用42CrMo钢，其常用的热处理工艺为：首先加热进行奥氏体化后，转移到油槽进行淬火，再高温回火的调质工艺，最终获得回火索氏体的金相组织，其抗拉强度为1000MPa～1200MPa，不能满足大功率、轻量化、低温服役风电装备的使用要求。

综上所述，如何克服上述缺陷从而提高螺栓机械强度，以解决其应用于大功率风电出现的早期失效问题，同时在满足高强度的同时还需满足高韧性以及低温韧性，并且减轻设备自重，成为本领域工作人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的旨在利用一种高强度钢材料结合相应的热处理工艺获得满足风电使用要求的高强螺栓。

本发明的目的通过以下解决方案来实现：

风电用高强度螺栓用钢，包括以下组分（质量百分比），C：0.38-0.42，Si：≤0.25；Mn：0.4-0.6；P：≤0.015；S：≤0.01，Cr：0.9-1.2，Ni：0.4-0.7；Mo：0.4-0.6；Cu：≤0.03；V：0.25-0.35，B：0.0005-0.001；Ti：0.03-0.08，Al：0.015-0.035，Nb：0.02-0.05，其余为Fe。

风电用高强度螺栓，应用以上所述的钢进行热处理工艺制备而成，螺栓的抗剪切应力等级达到15.9级，基体组织为抗拉强度达到1600MPa～1750MPa，屈服强度1450-1580Mpa，断面延伸率大于13%，断面收缩率大于52%，-40℃低温下冲击韧性大于27J。

优选地，以上所述的风电用高强度螺栓的热处理工艺，包括如下步骤：

S1、在中频炉中加合金原料化钢造渣，并进行预脱氧；

S2、完成后对钢液进行造渣还原，扩散脱氧并加入生石灰造渣，保持白渣状态出钢，控制出钢温度1600-1700℃；

S3、浇铸，控制浇铸温度1520-1600℃；

S4、浇注完成后，在1000-1600℃进行轧制成型，经过精确锻造工艺，将螺栓锻造成符合要求的40CrNiMoVNbTi螺栓毛坯。因钢中含有细化晶粒的V、Nb、Ti元素，极大的保证了螺栓在后续的加热过程中晶粒细化，获得超细晶粒的贝氏体组织。

优选地，还包括如下步骤：

S5、对S4的螺栓毛坯进行低温时效处理：加热温度200-300℃，保温6-8小时，去除螺栓加工应力，减少热处理变形；

S6、将时效完成的螺栓进行奥氏体处理：送至盐浴淬火设备中，将螺栓加热至920℃～940℃后保温2-3小时进行奥氏体化处理，加热的过程中通入一定比例的一氧化碳、氢气、氮气，保护螺栓在加热过程中不氧化脱碳。

S7、经S6后的螺栓转移至淬火盐槽中等温淬火，所述淬火分为两段淬火方式，第一段在280℃～300℃盐槽中进行等温淬火，保温3-4小时，再将螺栓从280℃～300℃的盐槽中快速转移至第二温度的盐槽中继续进行二段等温淬火，保温2-3个小时，使奥氏体组织几乎完全转变为下贝氏体组织，贝氏体含量大于99.8%，其余为少量残余奥氏体。所述第二温度高于第一温度，所述第二温度为350℃～400℃。

因经过了两段等温淬火过程，获得了两种不同硬度的下贝氏体混合组织，该混合贝氏体组织的作用，使螺栓不仅达到了高强度，同时具备了很高的低温冲击韧性。

S8、淬火完成空冷至常温后，送至超声波清洗机中清洗风干；

S9、对清洗后的螺栓进行镀硬铬处理，获得表面硬度更高，耐磨性、耐腐蚀性良好的高强度螺栓。

优选地，所述S7的淬火盐槽中盐的成分由40% 的NaNO₃、30%的NaNO₂、30%的 KNO₃组成。

本发明的有益效果在于：利用本发明所述的材料及工艺制备的含钒铌钛超高强螺栓，可将传统风电用的10.9级螺栓升级为15.9级，基体组织为抗拉强度达到1600MPa～1750MPa，屈服强度1450-1580Mpa，断面延伸率大于13%，断面收缩率大于52%，低温（-40℃）冲击韧性大于27J，能有效的满足大功率风电装备的使用工况。

具体实施方式

以下便结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

本发明揭示了一种风电用高强度螺栓用钢，包括以下组分（质量百分比），C：0.38-0.42，Si：≤0.25；Mn：0.4-0.6；P：≤0.015；S：≤0.01，Cr：0.9-1.2，Ni：0.4-0.7；Mo：0.4-0.6；Cu：≤0.03；V：0.25-0.35，B：0.0005-0.001；Ti：0.03-0.08，Al：0.015-0.035，其余为Fe。

本发明中添加成分的原理在于：在钢的各种微合金化元素中，钒、铌、钛是最有效的微合金化元素，当钢中加入微量钒、铌、钛，即可以改变钢的力学性能。例如当加入0 .1％的合金化元素时，提高钢的屈服强度依次为：铌118MPa；钒71 .5MPa；钼40MPa；锰17 .6MP，而钛元素在提高屈服强度的同时还可以提高持久强度和蠕变抗力。钒、铌、钛作为微合金化元素加入钢中并不改变钢的结构，而是与钢中的碳、氮、硫结合，改变钢的显微结构。钒、铌、钛对钢的强化作用主要是细晶强化和弥散强化，钒、铌、钛能和钢中的碳、氮生成稳定的碳化物和碳氮化物。而且还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。因此，本发明中加入了较高含量的钒、铌、钛不仅可以提高钢的强度，还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性，降低钢脆性转变温度，获得好的成型性能，同时结合了本发明独特的热处理工序，获得了超细晶粒的下贝氏体组织，很大程度上提高了螺栓的冲击韧性和强度。

虽然现有技术中存在超高强度螺栓，但大都采用传统的调质热处理，其获得的索氏体组织的高强螺栓虽然具有高的强度，但是不具备高的低温冲击韧性。所以使得其无法在风电行业进行批量应用。因此，为更好的满足风电领域使用的高强度高韧性螺栓的性能，需要进一步结合相应的热处理工艺来达到使用性能。

本发明通过对以上组分进行热处理加工工艺的处理，制备出的螺栓的抗剪切应力等级达到15.9级，基体组织为抗拉强度达到1600MPa～1750MPa，屈服强度1450-1580Mpa，断面延伸率大于13%，断面收缩率大于52%，-40℃低温下冲击韧性大于27J。

以下进行具体工艺流程的阐述：

首先，进行原料烘烤预处理；接着，在中频炉底铺陈生石灰，然后按比例装入合金原料进行升温化钢，边加其余原料边造新渣，直至新渣覆盖钢液表面；待熔化结束后，拨出氧化渣，造轻薄渣覆盖钢液表面。插入硅钙块和铝块进行预脱氧，预脱氧后，对钢液进行造渣还原，观测渣料颜色变化，直至出现白渣；钢液造轻薄渣，加入铝粉和硅钙粉进行扩散脱氧，然后加入生石灰造渣，保持白渣状态出钢，在出钢前加入配备好的终脱氧剂，随钢液混充加入钢包内；出钢过程中，向钢液表面吹氩气，控制出钢温度1600-1700℃；出钢完成后进行浇铸，控制浇铸温度1520-1600℃；浇注完成后，在1000-1600℃进行轧制成型；钢坯经轧机轧制成圆棒料，对棒料剥皮，磷化处理，经过精确锻造工艺，将螺栓锻造成符合要求的40CrNiMoVNbTi螺栓毛坯。

具体的：

低温时效：选用台车炉对螺栓毛坯进行低温时效处理，加热温度200-300℃，保温6-8小时，去除螺栓加工应力，减少热处理变形；将时效完成的螺栓，选择工装竖直装料，控制螺栓的热处理变形量，装料完成送至全自动箱式盐浴淬火设备中，将螺栓加热至920℃～940℃后保温2-3小时进行奥氏体化处理，加热的过程中通入还原性气体（氮气、氢气、一氧化碳），保护螺栓不氧化脱碳。将加热完成后的螺栓快速转移至淬火盐槽中，所述盐槽中盐的成分由40% 的NaNO3、30%的NaNO2、30%的 KNO3组成。加热奥氏体化完成后，进行等温淬火，一段等温淬火在280℃～300℃盐槽中进行等温淬火，保温3-4小时，再将螺栓从280℃～300℃的盐槽中快速转移至另外一个稍高温度（350℃～400℃，）的盐槽中继续进行二段等温淬火，保温2-3个小时，使奥氏体组织几乎完全转变为下贝氏体组织，贝氏体含量大于99.8%，其余为少量残余奥氏体。因经过了两段等温淬火过程，获得了两种不同硬度的下贝氏体混合组织，由于该混合贝氏体组织的强化作用，使螺栓不仅达到了高强度，同时具备了很高的低温冲击韧性。

将螺栓从盐浴炉中取出，空冷至常温后，送至超声波清洗机中清洗，清洗液为碱性的水性溶剂，清洗温度50-80℃，清洗完成后风干。最后对清洗后的高强度螺栓进行镀硬铬处理，获得表面硬度更高，耐磨性、耐腐蚀性良好的高强螺栓。

通过本发明所揭示的超细晶粒度钢40CrNiMoVNbTi材料，结合特有的两段等温淬火热处理工艺，获得99.8%的下贝氏体组织，晶粒度达到11级或更细，在满足高强度的同时具备高韧性，尤其低温冲击韧性很高，可以满足风电设备在极寒条件下使用要求。保证了大兆瓦风机在低温工况的使用安全，同时因为贝氏体组织螺栓对氢脆不敏感，能有效的避免氢脆事故的发生。

本发明的40CrNiMoVNbTi钢在热处理再结晶过程中，因钒、铌、钛形成的化合物对位错的钉扎及抑制晶粒长大等作用，从而大大增加了再结晶时间。在高于临界温度时，钒、铌、钛元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制，而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制。钒、铌、钛在40CrNiMoVNbTi钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，扩大未再结晶区温度范围，促进奥氏体晶粒形变和缺陷的“累积”，最终达到细化晶粒、提高韧性，尤其提高低温韧性的目的。

采用本发明所述的材料与方法最终获得的螺栓与42CrMo螺栓相比，其晶粒度得到了提高，

牌号	晶粒度
		42CrMo	9.0
40CrNiMoVNbTi	11.5

结合特定40CrNiMoVNbTi材料特性，采用新型热处理工艺，经过两段式等温淬火处理以后，获得下贝氏体组织，且螺栓的晶粒度可达到11-12级超细晶粒，并经两段贝氏体等温淬火后，能有效的减少残余奥氏体含量，获得两种不同硬度的下贝氏体混合组织，提高了强度、断面延伸率和断面收缩率，获得比10.9级，12.9级更高的螺栓等级。

为更好的验证本发明制备的螺栓性能，本发明进行了三个试样的处理；

其处理方式相同，不同的是，采用两段式等温淬火时的温度不同，如下表1所示：

表1：三组试样中的参数列表

温度序号	1组	2组	3组
				第一段温度（℃）	280	290	300
第一段时间（h）	4	4	4
				第二段温度（℃）	350	380	400
第二段时间（h）	3	3	3

15.9级螺栓性能见表2所示

表2：15.9级螺栓性能列表：

性能序号	1组	2组	3组
				抗拉强度Mpa	1702	1670	1651
屈服强度Mpa	1574	1557	1529
				断面收缩率%	56%	58%	60%
断后伸长率%	19%	21%	23%
				低温韧性（-40℃）	34J	37J	39J

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.风电用高强度螺栓用钢，其特征在于：包括以下质量百分比的组分，

C：0.38-0.42，Si：≤0.25；Mn：0.4-0.6；P：≤0.015；S：≤0.01，Cr：0.9-1.2，Ni：0.4-0.7；Mo：0.4-0.6；Cu：≤0.03；V：0.25-0.35，B：0.0005-0.001；Ti：0.03-0.08;Al：0.015-0.035，Nb：0.02-0.05，其余为Fe；

所述风电用高强度螺栓的热处理工艺，包括如下步骤：

S1、在中频炉中按比例加入合金原料化钢造渣，并进行预脱氧；

S3、浇铸，控制浇铸温度1520-1600℃；

S4、浇注完成后，在1000-1600℃进行轧制成型，经过精确锻造工艺，将螺栓锻造成符合要求的40CrNiMoVNbTi螺栓毛坯；

S6、将时效完成的螺栓进行奥氏体处理：送至盐浴淬火设备中，将螺栓加热至920℃～940℃后保温2-3小时进行奥氏体化处理，加热的过程中通入一氧化碳、氢气、氮气，保护螺栓在加热过程中不氧化脱碳；

S7、经S6后的螺栓转移至淬火盐槽中等温淬火，所述等温淬火为两段式淬火方式使其贝氏体含量大于99.8%。；

S8、淬火后的螺栓空冷至常温后，送至超声波清洗机中清洗风干；

S9、对清洗后的螺栓进行镀硬铬处理，获得表面硬度更高，耐磨性、耐腐蚀性良好的高强度螺栓；

所述S7中两段式淬火包括如下步骤：

S71、第一段在280℃～300℃盐槽中进行等温淬火，保温3-4小时，

S72、将螺栓从280℃～300℃的盐槽中快速转移至第二温度的盐槽中继续进行二段等温淬火，保温2-3个小时，所述第二温度高于第一段的温度；

所述第二温度为350℃～400℃。

2.根据权利要求1所述的风电用高强度螺栓用钢，其特征在于：所述S7的淬火盐槽中盐的成分由40% 的NaNO₃、30%的NaNO₂、30%的 KNO₃组成。

3.风电用高强度螺栓，其特征在于：应用如权利要求1所述的钢进行热处理工艺制备而成，螺栓的抗强度等级达到15.9级，基体组织为抗拉强度达到1600MPa～1750MPa，屈服强度1450-1580Mpa，断面延伸率大于13%，断面收缩率大于52%，-40℃低温下冲击韧性大于27J。