高強度風電螺栓用鋼的材料選擇與性能研究

李詩斌，冷永磊，尹修剛，張 川，姜彩艷，韓常海

隨著國家“十四五”的規劃及低碳能源的發展趨勢，風能、核能等時髦新興能源的逐步創新與優化，風電塔由逐漸由陸地轉向海洋等領域，努力實行碳中和等指標，對制造各類螺栓緊固件材料提出了更高的要求。風電螺栓用鋼要求大規格、高強度、高低溫沖擊性能的同時，同時對成本也提出更嚴苛的需求。

目前高強度螺栓采購標準主要為國標的3098 標準，歐標的898 標準。我國風電緊固件的基礎要求必須滿足3098 標準，目前很多國內廠家主要用鋼有：優碳鋼、CrMo 系、CrB 系、Cr 系、CrNiMo 系等。本文以10.9 級螺栓用鋼的材料選擇及控制的各個關鍵環節為研究對象，通過Mo、Ni 等元素合金化、熱軋態及熱處理態組織、優化熱處理等方面實現了保證高強度的前提下具有良好的低溫性能。

1 風電用與鋼結構用緊固件的區別

風電用高強緊固件的制造工藝，從技術角度涉及多科學，從生產的角度涉及到多道工序，從管理的角度涉及到多部門、多環節，從措施的角度涉及到生產成本。從技術的角度對鋼結構用與風電用緊固件進行區分可以更好的對緊固件的標準引用、 制造工藝、 材料性能和熱處理方式等進行闡述。

1.1 采用標準的差異

國內的鋼結構領域采用的高強度緊固件標準通常有 9 個標準，而風力發電機組上使用的高強度緊固件國內目前常用的標準也是9 個，此外還有一些來圖定制的非標緊固件、葉片螺栓、T 型螺母和莫氏墊圈等。

1.2 引用標準的差異

1.2.1 引用 GB/T3098.1-2000 標準的差異

GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能螺栓、 螺釘和螺柱》 中對各個等級的緊固件都有具體的數據要求鋼結構高強度螺栓和風電高強度螺栓都選用 10.9 級強度標準，但是具體力學性能卻有差異。

鋼結構和風電用高強度螺栓在服役過程中除要求有足夠的強度和塑性外， 還要求有足夠的韌度。韌度的評價往往采用沖擊吸收功KA 值來表征。在 GB/T3098.1-2000 標準中，對沖擊功提出了一定的指標。10.9 級高強度螺栓沖擊功為KUA ≥20J。鋼結構高強度螺栓的沖擊功是采用2mm 的U 型缺口試件在常溫下進行；而風電用高強度螺栓的沖擊功是采用 V 型缺口試件在-40℃低溫檢測。因而，前者沖擊功為KU2A ≥47J，后者沖擊功為KVA (-40℃) ≥27J。

風電用高強度緊固件廣泛采用含碳量為 0.25%～0.55%的中碳鋼和中碳合金鋼，這兩種鋼在常溫下有很好的沖擊韌度，但當使用溫度低于某一溫度時，其沖擊韌度下降，端口特征由纖維狀變為結晶狀，斷裂機制由微孔聚集型變為穿晶解理型。這是由于體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金中，溫度的變化改變了位錯在晶體中運動的摩擦阻力。通過測量沖擊吸收功和對沖擊試樣進行斷口分析，可以揭示材料的夾渣、偏析、白點、裂紋以及非金屬夾雜物超標等原材料缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等溫鍛、熱處理等加工缺陷；在低溫條件下評定風電用高強度螺栓緊固件的韌脆轉變特性，使緊固件不再冷脆狀態下工作，保證安全服役。由于環境氣候的影響，對我國寒冷地區的風電設備，測定韌脆轉變溫度為-40℃， 是從沖擊韌度角度選用高輕度緊固件的重要依據之一。

1.2.2 其他標準引用的差異

鋼結構用高強度螺栓、螺母，表面缺陷分別按GB/T5779.1、GB/T5779.2 的規定執行；風電用高強度螺栓、螺母，表面缺陷除滿足上述2 個標準外，針對螺栓還有表面探傷的相關要求，通常引用的標準有 JB/T4730.3-2005 和 JB/T4730.4-2005。

1.2.3 其他尺寸及形位公差引用時的差異

鋼結構用高強度螺栓、螺母、墊圈的其他尺寸及形位公差應符合GB/T3103.1-2002 和GB/T3103.3-2000 的 C 級規定；而風電用緊固件引用上述2 個標準的B 級規定。由于風電用高強度緊固件通常采用達克羅表面處理，故還需要滿足 GB/T5267.2-2002的相關要求。

1.3 材料選用的差異

1.3.1 材料選用的區別

一般情況下鋼結構螺栓材料的選用為：φ ≤M24 的產品，材料選用20MnTiB 鋼，M27、M30 螺栓選用35VB 鋼。 而風電用高強度螺栓的材料一般選用 42CrMo、B7、42CrNiMo 鋼，少量產品也是用20MnTiB、30CrMoSi、35VB 鋼。

一般情況下鋼結構螺栓螺母選用 45、35 鋼，而風電用螺母除使用上述材料外，還可以指定使用35CrMo 鋼。

1.3.2 鋼材牌號的差異

20MnTiB、35VB、45、35 鋼是傳統標準推薦的鋼材牌號；而35CrMo、42CrMo、42CrNiMo、30CrMoSi 是 GB/T3077-1999《合金結構鋼》 中的牌號，B7 鋼則是美國《ASTM 技術規范高低溫、高壓用栓接材料緊固件》標準中的牌號，值得注意的是我國多年來自主開發且應用比較成熟的 35VB 鋼卻一直沒有列入國家材料的標準。高強度螺栓經過調制處理，合金元素對力學性能最主要的作用是增加淬透性，使截面較大的螺栓也可淬透。許多合金元素也給高強度螺栓調制帶來了不利的影響，其中很重要的是回火脆性問題，應嚴格避免，否則會大大降低沖擊功值。

高強度螺栓調制淬火時，要求整個截面90%以上獲得淬火馬氏體組織，即鋼材必須淬透。淬火深度不僅與鋼材的化學成分有關，也受試樣大小、加熱溫度、冷卻介質、冷卻方式等影響。20MnTiB、35VB 和35CrMo 鋼屬于低淬透性合金鋼，油淬臨界直徑一般不大于￠25mm，因此只適宜M24 ～M30 以下鋼結構緊固件制造。30CrMoSi 鋼是推薦用于高強度緊固件的替代鋼種，它有較好的綜合性能，在調質狀態下具有較高的強度和足夠的韌度，淬透性并不高，油淬臨界直徑為￠ 25mm；而風電用高強度螺栓直徑均大于￠30mm，則必須選用 42CrMo、B7和 42CrNiMo 鋼，在截面很大是仍有較高的性能。B7 化學成分相當于42CrMo 鋼，42CrMo 鋼油淬直徑為￠ 42mm； 42CrNiMo鋼的油淬臨界直徑為￠45mm，與其他鋼種相比，具有更好的沖擊韌度和淬透性。對于超過臨界直徑的大截面螺栓必須用水溶液淬火， 以保證淬硬層深度。

2 生產工藝與研究

2.1 現狀分析

依據客戶要求生產出的42CrMoA 圓鋼，化學成分見表1。在標準熱處理工藝（10.9 級螺栓：850℃淬火+560℃回火）條件下，圓鋼的原始組織帶狀較高為2.5 級～3.0 級，采用GB3098 標準加工標準試樣（拉伸區直徑為3/8D，沖擊試樣為皮下2mm，缺口V 口，-40℃）屈服強度和沖擊吸收能量不能同時滿足標準的下限要求見表2，組織為回火索氏體2 級～3 級，見圖1。

圖1 回火索氏體+少量貝氏體1 級

表1 化學成分%

表2 力學性能

2.2 試驗方案

高強度螺栓經過調制處理，合金元素對力學性能最主要的作用是增加淬透性，使截面較大的螺栓也可淬透。許多合金元素也給高強度螺栓調制帶來了不利的影響，其中很重要的是回火脆性問題，應嚴格避免，否則會大大降低沖擊功值。

高強度螺栓調制淬火時，要求整個截面90%以上獲得淬火馬氏體組織，即鋼材必須淬透。淬火深度不僅與鋼材的化學成分有關，而且也受試樣大小、加熱工藝、熱軋態帶狀、冷卻方式等影響。20MnTiB、35VB 和35CrMo 鋼屬于低淬透性合金鋼，油淬臨界直徑一般不大于φ25mm，因此只適宜M24 ～M30 以下鋼結構緊固件制造。30CrMoSi 鋼是推薦用于高強度緊固件的替代鋼種，它有較好的綜合性能，在調質狀態下具有較高的強度和足夠的韌度，淬透性并不高，油淬臨界直徑為φ25mm；而風電用高強度螺栓直徑均大于φ30mm，則必須選用42CrMo、B7 和42CrNiMo 甚至更高級別鋼材，在截面很大是仍有較高的性能。B7 化學成分相當于42CrMo 鋼，42CrMo 鋼油淬直徑為φ42mm；42CrNiMo 鋼的油淬臨界直徑為φ45mm，與其他鋼種相比，具有更好的沖擊韌度和淬透性。對于超過臨界直徑的大截面螺栓必須用水溶液淬火，以保證淬硬層深度。

綜合判斷，42CrMo 系列滿足10.9 級螺栓性能的最經濟的鋼種。

2.2.1 化學成分配比優化

化學成分是決定鋼材疲勞極限的首要因素。碳是影響疲勞極限的主要元素，它既能間隙固溶強化基體，又可形成彌散強化，提高鋼材的形變抗力，阻止疲勞裂紋的萌生和提高疲勞極限。合金元素在鋼種的作用，主要是通過提高鋼的淬透性和細化晶粒改善鋼的強韌性來提高壽命。合格的化學成分是保證中碳鋼和中碳合金鋼鐓鍛性能和熱處理后力學性能的基礎，對于大于φ30mm 的風電用高強度螺栓，淬火后整個截面保證90%以上獲得馬氏體組織；既要保證淬透性，又要達到一定的淬硬層深度，因此鋼材的化學成分應達到標準的中上限。且強化C、Cr、Mn、Mo 等平均含量應高于標準要求的中限，同時，Ni 含量的加入可以更有效地提升鋼材的整體性能。Ni 仿佛一條杠桿上的平衡軸加碼，直接解決風電螺栓的強度與韌性不能同時達到的標準的問題。

經多次試驗，尋找最優成分見表3。

表3 優化合金成分

2.2.2 軋制工藝優化

熱軋后的圓鋼棒材組織是棒材熱處理后的根本，組織是否均勻、是否平衡是風電螺栓用鋼力學性能是否達標的基礎，帶狀是重點指標。在不能調整軋制過程溫度的前提下，優化圓鋼加熱爐內的工藝成為了唯一方案。實驗結果顯示，當提高加熱溫度、開軋溫度至一定值后，可顯著降低帶狀級別，帶狀≤2.0 級。注意，溫度并不是越高越好，應避免出現鋼中魏氏組織甚至過燒。

2.2.3 淬火設備優化

傳統工業熱處理試驗采用電箱爐加熱，經淬火槽淬火，回火槽冷卻。但淬火介質不同，淬火設備不同，達到的效果不同。承德建龍手工改良淬火槽設備，將原有的水槽制作成孔洞較大，更輕便的水槽，經手動搖擺，保證試樣在淬火介質中不動，隨著介質的流動，使試樣充分打破淬火時試樣表面的介質保護膜，保證淬火效果，詳見圖2、圖3。

圖2 改良前

圖3 改良后

2.2.4 熱處理方式優化

設計5 種熱處理工藝，原材料采用現有生產的最大φ64 規格具體的熱處理工藝見表4，淬火采用箱式爐加熱，改進后的淬火槽淬火，水淬，回火在普通回火槽中進行。

表4 不同熱處理方案

（1）拉伸試驗結果。隨著回火溫度的升高，抗拉強度呈降低趨勢，伸長率在540℃～560℃時保持不變，560℃～580℃時呈逐漸升高趨勢。當回火溫度為540℃時，材料的抗拉強度達到1145Mpa，伸長率達到15%，當回火溫度達到580℃時材料的抗拉強度為1060Mpa，伸長率達到17%，即處在560℃時，強度與斷后伸長率均在最優情況。

（2）低溫沖擊試驗結果。室溫與-40℃的低溫沖擊功隨回火溫度的升高呈增長趨勢，當回火溫度升高至560℃時，-40℃低溫沖擊功分別達到70J 以上。

（3）微觀組織。微觀組織均為均勻的回火索氏體組織1級～2 級。

3 結論

通過Ni 元素的微合金化，確定最優的元素配比，改良淬火工藝后，性能完全滿足客戶的使用要求。工件既能滿足力學性能要求，又相對的節省了生產成本，提高了生產效率。