摘 要:介紹了高寒地區(qū)服役的10.9級 M36風電螺栓用鋼的種類及其加工工藝,從晶體結(jié)構(gòu)、 化學成分、調(diào)質(zhì)前原始組織、調(diào)質(zhì)前加工處理工藝以及調(diào)質(zhì)處理工藝等方面,綜述了高強度風電螺 栓用鋼低溫沖擊性能的研究進展,對采用冷鐓熱軋盤條工藝生產(chǎn)10.9級風電螺栓的低溫沖擊性能 偏低的原因進行分析,最后提出了冷鐓SCM440鋼熱軋盤條生產(chǎn)10.9級風電螺栓采取的提高低溫 沖擊性能的措施。

關鍵詞:熱軋盤條;高強度風電螺栓;低溫沖擊性能;化學成分;調(diào)質(zhì)處理

中圖分類號:TG142.1 獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2021)04-0001-07

0 引 言

緊固件作為各行業(yè)最基礎的零部件,在工作時 除受到軸向預緊拉伸載荷的作用外,還會受到附加 的拉伸交變載荷、橫向剪切交變載荷或由二者復合 而成的彎曲載荷的作用[1]。風電螺栓除受到上述載 荷作用外,還隨主機一起常年經(jīng)受酷暑嚴寒、極端溫 差、鹽霧腐蝕等作用。因此,風電螺栓除了需具有足 夠的強度和塑性外,還應具有足夠的韌性[2-3]。材料 存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度,風電螺栓在此溫度以下使用時, 將存在斷裂風險,從而造成生命財產(chǎn)損失,因此研究風電螺栓用鋼的低溫沖擊性能顯得十分重要。目 前,大規(guī)格風電螺栓的低溫沖擊功普遍偏低,尤其是 冷鐓成型風電螺栓常出現(xiàn)因低溫沖擊性能不合格而 返工的現(xiàn)象。作者以10.9級 M36風電螺栓用鋼為 研究對象,對該鋼的低溫沖擊性能研究進展進行了 綜述,并對由SCM440熱軋盤條經(jīng)冷鐓工藝生產(chǎn)的 10.9級風電螺栓低溫沖擊性能偏低的原因進行了分析。

1 高強度風電螺栓用鋼及技術(shù)要求

目前,高強度風電螺栓的強度等級大部分選擇 10.9級,少量選擇8.8級,高強度風電螺栓一般采用 碳質(zhì)量分數(shù)為0.30%~0.55%的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制 造,其中:規(guī)格不大于 M24的螺栓選用20MnTiB鋼;規(guī)格為 M27、M30的螺栓選用35VB鋼或35CrMoA 鋼;規(guī)格不小于 M36的螺栓一般選用42CrMo鋼、B7 鋼、SCM440 鋼、40CrNiMoA 鋼,少 量 允 許 使 用 30CrMnSiA鋼。40CrNiMoA鋼具有最優(yōu)的沖擊韌性 和淬透性[4-5]。B7鋼為美國 ASTM 標準產(chǎn)品,其化學 成分標準范圍較寬,涵蓋了美國合金結(jié)構(gòu)鋼體系中的 AISI4140、 AISI4142、 AISI4145、 AISI4140H、 AISI4142H、AISI4145H 等 6 個牌號,而風電螺 栓 用 B7鋼的化學成分標準范圍與 AISI4140合金結(jié) 構(gòu)鋼的一致。SCM440 鋼為日本JIS 標準產(chǎn)品,相 當于 GB/T6478-2015中的 ML40CrMo鋼或 GB/T 3077-2015中的42CrMo鋼。目前,10.9級 M36風 電螺栓 用 鋼 主 要 為 SCM440 鋼、42CrMo 鋼 和 B7 鋼,其化學成分標準范圍見表1。

目前,8.8級及以上高強度風電螺栓的制造工 藝主要為冷鐓和熱(溫)鍛。由熱軋盤條生產(chǎn)風電螺 栓時采用冷鐓工藝,其生產(chǎn)工藝流程為球化退火→ 酸洗磷化→拉拔→冷鐓成型→加工螺紋→淬火和回 火→表面處理;由熱軋棒材生產(chǎn)風電螺栓時采用熱 (溫)鍛工藝,其生產(chǎn)工藝流程為酸洗磷化→拉拔→ 下料→熱(溫)鍛成型→六角整形→淬火和回火→加 工螺紋→表面處理。與熱(溫)鍛工藝相比,采用冷 鐓工藝生產(chǎn)高強度風電螺栓具有更高的效率和成材 率,目前 M36及以下規(guī)格風電螺栓逐漸改用冷鐓工 藝生產(chǎn)。高強度風電螺栓均需要通過860~890 ℃ 淬火+450~600 ℃高溫回火,即調(diào)質(zhì)處理才能獲得 具有良好強韌性的回火索氏體組織。10.9級高強 度風電螺栓的硬度為33~39 HRC,抗拉強度不低 于1040 MPa,斷后伸長率不小于9%,斷面收縮率 不小 于 48%,-40~ -45 ℃ 低 溫 沖 擊 吸 收 能 量 (AKV2 )不低于27J。

2 影響10.9級 M36風電螺栓用鋼低溫沖擊 性能的因素

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

在常見的3種晶體結(jié)構(gòu)中,易發(fā)生低溫脆性現(xiàn) 象的結(jié)構(gòu)為體心立方和密排六方結(jié)構(gòu)[6]。高強度風 電螺栓用SCM440鋼為體心立方結(jié)構(gòu)材料,存在低 溫脆化現(xiàn)象。通常,材料的晶體結(jié)構(gòu)越復雜,對稱性 越差,位錯阻力越高;若位錯阻力對溫度變化敏感, 則對屈服強度的影響更大,冷脆傾向更明顯,低溫沖 擊性能更差。張偉強等[7]研究發(fā)現(xiàn),42CrMo調(diào)質(zhì) 鋼在-150~700 ℃范圍的屈服強度隨溫度的升高呈降低趨勢,但在0~250℃范圍屈服強度存在一個 變化平緩的平臺,