摘 要:介绍了高寒地区服役的10.9级 M36风电螺栓用钢的种类及其加工工艺,从晶体结构、 化学成分、调质前原始组织、调质前加工处理工艺以及调质处理工艺等方面,综述了高强度风电螺 栓用钢低温冲击性能的研究进展,对采用冷镦热轧盘条工艺生产10.9级风电螺栓的低温冲击性能 偏低的原因进行分析,最后提出了冷镦SCM440钢热轧盘条生产10.9级风电螺栓采取的提高低温 冲击性能的措施。

关键词:热轧盘条;高强度风电螺栓;低温冲击性能;化学成分;调质处理

中图分类号:TG142.1 献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)04-0001-07

0 引 言

紧固件作为各行业最基础的零部件,在工作时 除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外,还会受到附加 的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由二者复合 而成的弯曲载荷的作用[1]。风电螺栓除受到上述载 荷作用外,还随主机一起常年经受酷暑严寒、极端温 差、盐雾腐蚀等作用。因此,风电螺栓除了需具有足 够的强度和塑性外,还应具有足够的韧性[2-3]。材料 存在韧脆转变温度,风电螺栓在此温度以下使用时, 将存在断裂风险,从而造成生命财产损失,因此研究风电螺栓用钢的低温冲击性能显得十分重要。目 前,大规格风电螺栓的低温冲击功普遍偏低,尤其是 冷镦成型风电螺栓常出现因低温冲击性能不合格而 返工的现象。作者以10.9级 M36风电螺栓用钢为 研究对象,对该钢的低温冲击性能研究进展进行了 综述,并对由SCM440热轧盘条经冷镦工艺生产的 10.9级风电螺栓低温冲击性能偏低的原因进行了分析。

1 高强度风电螺栓用钢及技术要求

目前,高强度风电螺栓的强度等级大部分选择 10.9级,少量选择8.8级,高强度风电螺栓一般采用 碳质量分数为0.30%~0.55%的中碳合金结构钢制 造,其中:规格不大于 M24的螺栓选用20MnTiB钢;规格为 M27、M30的螺栓选用35VB钢或35CrMoA 钢;规格不小于 M36的螺栓一般选用42CrMo钢、B7 钢、SCM440 钢、40CrNiMoA 钢,少 量 允 许 使 用 30CrMnSiA钢。40CrNiMoA钢具有最优的冲击韧性 和淬透性[4-5]。B7钢为美国 ASTM 标准产品,其化学 成分标准范围较宽,涵盖了美国合金结构钢体系中的 AISI4140、 AISI4142、 AISI4145、 AISI4140H、 AISI4142H、AISI4145H 等 6 个牌号,而风电螺 栓 用 B7钢的化学成分标准范围与 AISI4140合金结 构钢的一致。SCM440 钢为日本JIS 标准产品,相 当于 GB/T6478-2015中的 ML40CrMo钢或 GB/T 3077-2015中的42CrMo钢。目前,10.9级 M36风 电螺栓 用 钢 主 要 为 SCM440 钢、42CrMo 钢 和 B7 钢,其化学成分标准范围见表1。

目前,8.8级及以上高强度风电螺栓的制造工 艺主要为冷镦和热(温)锻。由热轧盘条生产风电螺 栓时采用冷镦工艺,其生产工艺流程为球化退火→ 酸洗磷化→拉拔→冷镦成型→加工螺纹→淬火和回 火→表面处理;由热轧棒材生产风电螺栓时采用热 (温)锻工艺,其生产工艺流程为酸洗磷化→拉拔→ 下料→热(温)锻成型→六角整形→淬火和回火→加 工螺纹→表面处理。与热(温)锻工艺相比,采用冷 镦工艺生产高强度风电螺栓具有更高的效率和成材 率,目前 M36及以下规格风电螺栓逐渐改用冷镦工 艺生产。高强度风电螺栓均需要通过860~890 ℃ 淬火+450~600 ℃高温回火,即调质处理才能获得 具有良好强韧性的回火索氏体组织。10.9级高强 度风电螺栓的硬度为33~39 HRC,抗拉强度不低 于1040 MPa,断后伸长率不小于9%,断面收缩率 不小 于 48%,-40~ -45 ℃ 低 温 冲 击 吸 收 能 量 (AKV2 )不低于27J。

2 影响10.9级 M36风电螺栓用钢低温冲击 性能的因素

2.1 晶体结构

在常见的3种晶体结构中,易发生低温脆性现 象的结构为体心立方和密排六方结构[6]。高强度风 电螺栓用SCM440钢为体心立方结构材料,存在低 温脆化现象。通常,材料的晶体结构越复杂,对称性 越差,位错阻力越高;若位错阻力对温度变化敏感, 则对屈服强度的影响更大,冷脆倾向更明显,低温冲 击性能更差。张伟强等[7]研究发现,42CrMo调质 钢在-150~700 ℃范围的屈服强度随温度的升高呈降低趋势,但在0~250℃范围屈服强度存在一个 变化平缓的平台,