CN112575256A - 具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓及制备方法 - Google Patents
具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓及制备方法，属于风电设备行业高强度大直径紧固件领域。所述的高强韧大直径风电螺栓的合金成分体系按质量百分比计为：C0.15～0.25％、Si0.8～2.0％、Mn1.5～2.5％、Cr0.6～1.2％、Mo0.2～0.4％、V0.06～0.12％、P＜0.015、S＜0.015，其余Fe。先通过转炉+炉外精炼+真空脱气+连铸+棒材轧制制备得到所需棒材，然后将棒材进行机加工和特殊热处理从而得到具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，性能级别≥12.9级。本发明工艺流程简单，工艺参数稳定，且采用新型淬火+配分工艺，获得强韧性配合。
Description
技术领域
本发明涉及风电设备行业高强度大直径紧固件领域，尤其涉及一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓。
背景技术
风力发电机组是将风能转换为电能的关键设备。风电机组一般包括风轮、发电机和塔筒三个部分。风电机组设备之间的连接有相当大一部分是通过螺栓连接副来实现的；故而需要大量的高强度大直径风电螺栓。
目前，在风电机组中使用的高强风电螺栓主要为塔筒螺栓、整机螺栓和叶片螺栓三类。在实际使用过程中，这些螺栓的综合力学性能、安装方法、润滑等都会对螺栓连接的可靠性产生影响，需要综合考虑，一旦螺栓连接的可靠性失效，就会对风电机组造成难以想象的破坏和产生极大的经济损失。
由于风场中风速的大小和方向都具有随机性，导致这些螺栓在服役过程中受到的载荷十分复杂多变，除轴向的预紧载荷之外，还常常会受到拉-拉交变载荷、横向剪切交变载荷及复合弯曲载荷。使得对这些螺栓的材料综合力学性能要求更加严格。
另外，风电机组需要布设在风力资源充足的区域，而这些区域难免存在低温、风沙、潮湿、腐蚀性等极端恶劣的环境，在此环境之下的风电机组正常、稳定运行，对这些螺栓连接的可靠性提出了更为严格的要求。
而现有的制造大型风电螺栓(≥M36 mm)选用的材料大多选用42CrMoA、B7、40CrNiMoA等，性能等级大多为10.9级，并不能够得到12.9级，热处理方式为调质处理即淬火+高温回火，基全金相组织为回火索氏体。但在实际使用过程中常常发现该种组织不均匀，容易在使用过程中出现软点、微裂纹或开裂的现象，同时发现其韧性不足，难以满足使用要求，给风电机组带来了极大的安全问题。
近年来，风电设备中塔筒的高度是逐年增加的，叶片也有大型化的趋势，这无疑对其紧固件的综合性能提出了更高的要求。目前的风电螺栓用钢显然不能满足。
例如，目前申请公布号CN 108179356A公布了一种高淬透大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法，化学成分重量％为：C 0.35-0.4 5％，Si≤0.20％，Mn0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr 1.00-1.50％，Mo 0.15-0.40％，B0.0005-0.003％，Ti 0.03-0.08％，Als 0.02-0.05％，N≤0.005％，Ca0.0001-0.0003％，其余为Fe及不可避免的杂质。其特征在于：转炉+炉外精炼+真空脱气+连铸+棒材轧制；具体的工艺参数为：炉外精炼后吹氩10～15分钟，吊包浇铸，中间包过热度控制在15～35℃；连铸坯经过1150～1250℃加热保温2小时后进行轧制，粗轧阶段，1050～1150℃；精轧阶段900～1050℃，入冷床温度800～850℃，轧后自然冷却。通过机加工制成螺栓，880℃淬火、550℃回火热处理获得回火索氏体组织，其抗拉强度Rm≥1350MPa，RP0.2≥1150MPa，AKV(-40℃)≥32J。
从上述内容可知，上述大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法显然仍为传统的优化合金成分、细化晶位的方法，金相组织为回火索氏体，且未提及重要参数断后伸长率A和断面收缩率Z，也未报告具体的应用，如要进一步提高其力学性能极其困难。
发明内容
本发明提供了一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓及制备方法。本发明具有操作简单，成本低廉，通过优化传统的合金成份，利用新型热处理方法获得超级贝氏体组织，从而生产得到高强韧大直径风电螺栓，易于规模化生产。
本发明提供一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，所述的高强韧大直径风电螺栓的合金成分体系按质量百分比计为：C0.15～0.25％、Si0.8～2.0％、Mn1.5～2.5％、Cr0.6～1.2％、Mo0.2～0.4％、V0.06～0.12％、P＜0.015、S＜0.015，其余Fe。
优选地，所述的高强韧大直径风电螺栓材料的金相组织为回火马氏体、下贝氏体和残余奥氏体。
优选地，所述的高强韧大直径风电螺栓的抗拉强度Rm≥1385MPa、规定非比例延伸强度Rp≥1157Mpa、断后伸长率A≥16.5％，断面收缩率Z≥55％，AKV(-40℃)≥33.82J。
优选地，所述的高强韧大直径风电螺栓的螺杆心部硬度≥430.6HV，螺杆1/2R处硬度≥432.4HV，螺杆边部硬度≥428.7HV。
一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓的制备方法，先通过转炉+炉外精炼+真空脱气+连铸+棒材轧制制备得到所需棒材，然后将棒材进行定尺锯切+螺帽感应加热墩粗+杆部机加工+热处理+滚丝从而得到具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓。
优选地，所需棒材的具体制备工艺为：先通过转炉冶炼合金，并对冶炼后的合金钢液进行炉外精炼，然后吹氩10～15分钟进行真空脱气，之后吊包浇铸并通过连铸得到连铸坯，最后连铸坯经过1100～1150℃加热保温1～2小时后进行轧制，轧后再经过退火和探伤制得。
优选地，高强韧大直径风电螺栓的具体制备工艺为：先制备所需棒材，然后对所需棒材进行定尺锯切，根据最终制备的高强韧大直径风电螺栓尺寸选择进行螺帽感应加热墩粗和杆部机加工，之后910～950℃加热，淬火至180℃～240℃；然后进行配分，配分温度280℃～340℃；最后对尺寸完全符合要求的经过配分处理的材料进行滚丝获得。
优选地，在将所需棒材在定尺锯切前需要测定本材料的CCT曲线，确定主要控制的重要参数。
优选地，根据NB/T 31082-2016中选取M36×340样品图定尺下料，螺帽感应加热墩粗，杆部机加工；后续的滚丝也需要根据选取的M36×340样品图尺寸进行。
优选地，按GB/T228.1-2010标准送第三方检测机构进行检测，获得拉伸及冲击试验数据、以及断面硬度试验数据，完全满足大直径12.9级及以上高强韧大直径风电螺栓的性能要求。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)本发明主要以Si、Mn、Fe为风电螺栓材料组分，少Cr，无Ni，优化合金成分，节约了成本；
(2)本发明工艺流程简单，工艺参数稳定，采用现有成熟炼钢-连铸-连轧生产工艺，节约了时间和成本；
(3)本发明针对优化后的合金成分棒材采用新型淬火+配分工艺，精准调控纳米马氏体、纳米下贝氏体、纳米残余奥氏体的百分含量，获得强韧性配合的高强韧大直径风电螺栓；
(4)本发明的高强韧大直径风电螺栓的抗拉强度Rm≥1385MPa、规定非比例延伸强度Rp≥1157Mpa、断后伸长率A≥16.5％，断面收缩率Z≥55％，AKV(-40℃)≥33.82J。
附图说明
下面将结合本专利实施例中的附图，对本专利实施例中的技术方案进行进一步说明。
图1为本发明高强韧大直径风电螺栓的杆部断面扫描电镜SEM图像；
图2为风电螺栓杆部1/2R处取样拉伸曲线；
图3为具有贝/马复相组织的高强韧M36×340大直径风电螺栓实物图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明要解决的技术问题是现有的大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法显然仍为传统的优化合金成分、细化晶位的方法，金相组织为回火索氏体，且未提及重要参数断后伸长率A和断面收缩率Z，也未报告具体的应用，如要进一步提高其力学性能极其困难。该种大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法不能满足日益增长的大尺寸对风电螺栓用钢的需求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，所述的高强韧大直径风电螺栓的合金成分体系按质量百分比计为：C0.15～0.25％、Si0.8～2.0％、Mn1.5～2.5％、Cr0.6～1.2％、Mo0.2～0.4％、V0.06～0.12％、P＜0.015、S＜0.015，其余Fe。
可选地，所述的高强韧大直径风电螺栓材料的金相组织为回火马氏体、下贝氏体和残余奥氏体。
可选地，所述的高强韧大直径风电螺栓的抗拉强度Rm≥1385MPa、规定非比例延伸强度Rp≥1157Mpa、断后伸长率A≥16.5％，断面收缩率Z≥55％，AKV(-40℃)≥33.82J。
可选地，所述的高强韧大直径风电螺栓的螺杆心部硬度≥430.6HV，螺杆1/2R处硬度≥432.4HV，螺杆边部硬度≥428.7HV。
一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓的制备方法，先通过转炉+炉外精炼+真空脱气+连铸+棒材轧制制备得到所需棒材，然后将棒材进行定尺锯切+螺帽感应加热墩粗+杆部机加工+热处理+滚丝从而得到具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓。
可选地，所需棒材的具体制备工艺为：先通过转炉冶炼合金，并对冶炼后的合金钢液进行炉外精炼，然后吹氩10～15分钟进行真空脱气，之后吊包浇铸并通过连铸得到连铸坯，最后连铸坯经过1100～1150℃加热保温1～2小时后进行轧制，轧后再经过退火和探伤制得。
可选地，高强韧大直径风电螺栓的具体制备工艺为：先制备所需棒材，然后对所需棒材进行定尺锯切，根据最终制备的高强韧大直径风电螺栓尺寸选择进行螺帽感应加热墩粗和杆部机加工，之后910～950℃加热，淬火至180℃～240℃；然后进行配分，配分温度280℃～340℃；最后对尺寸完全符合要求的经过配分处理的材料进行滚丝获得。
可选地，在将所需棒材在定尺锯切前需要测定本材料的CCT曲线，确定主要控制的重要参数。
可选地，根据NB/T 31082-2016中选取M36×340样品图定尺下料，螺帽感应加热墩粗，杆部机加工；后续的滚丝也需要根据选取的M36×340样品图尺寸进行。
可选地，按GB/T228.1-2010标准送第三方检测机构进行检测，获得拉伸及冲击试验数据、以及断面硬度试验数据，完全满足大直径12.9级及以上高强韧大直径风电螺栓的性能要求。
具体实施方式：
1.按所述的高强韧大直径风电螺栓的合金成分体系进行原料配比并依次经过转炉炼钢+炉外精炼+真空脱气+连铸+棒材轧制制备得到所需棒材，具体的工艺参数为：炉外精炼后吹氩10～15分钟进行真空脱气，吊包浇铸；连铸坯经过1100～1150℃加热保温1-2小时后进行轧制，棒材轧后退火、探伤；
2.测定本材料的CCT曲线，确定了主要控制的关键相变温度等重要参数；
3.测试材料的热塑性区间；
4.根据NB/T 31082-2016中选取M36×340样品图定尺下料，螺帽感应加热墩粗，杆部机加工；
5.以工业化生产制造的条件，根据材料的热塑性制定生产风电螺栓热处理工艺：910～950℃加热保温1～2小时，淬火至180℃～240℃；然后进行配分，配分温度280℃～340℃；
6.按NB/T 31082-2016要求进行滚丝，成品风电螺栓如图3所示；
7.按GB/T228.1-2010标准送有资质的第三方检测机构进行检测，取三根螺栓进行力学性能试验，拉伸试验结果如图2，三根螺栓拉伸及冲击试验数据详见表1，三根螺栓维氏硬度试验数据详见表2；
表1.三根螺栓拉伸及冲击试验数据
表2.三根螺栓断面硬度试验数据
| 样品号 | 螺杆心部硬度 | 螺杆1/2R处硬度 | 螺杆边部硬度 |
| 1# | 436.5 | 434.6 | 429.3 |
| 2# | 430.6 | 432.4 | 428.7 |
| 3# | 438.1 | 442.2 | 430.3 |
8.金相组织为回火马氏体、下贝氏体、残余奥氏体，如图1所示。
从上表可以看出，本发明所述的高强韧大直径风电螺栓的抗拉强度Rm≥1385MPa、规定非比例延伸强度Rp≥1157Mpa、断后伸长率A≥16.5％，断面收缩率Z≥55％，AKV(-40℃)≥33.82J；完全满足大直径12.9级及以上高强韧大直径风电螺栓的使用要求。
综上可见，本发明主要以Si、Mn、Fe为风电螺栓材料组分，少Cr，无Ni，优化合金成分，节约了成本；本发明工艺流程简单，工艺参数稳定，采用现有成熟炼钢-连铸-连轧生产工艺，节约了时间和成本；本发明针对优化后的合金成分棒材采用新型淬火+配分工艺，精准调控纳米马氏体、纳米下贝氏体、纳米残余奥氏体的百分含量，获得强韧性配合的高强韧大直径风电螺栓。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，其特征在于，所述的高强韧大直径风电螺栓的合金成分体系按质量百分比计为：C0.15～0.25％、Si0.8～2.0％、Mn1.5～2.5％、Cr0.6～1.2％、Mo0.2～0.4％、V0.06～0.12％、P＜0.015、S＜0.015，其余Fe。
2.根据权利要求1所述的具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，其特征在于，所述的高强韧大直径风电螺栓材料的金相组织为回火马氏体、下贝氏体和残余奥氏体。
3.根据权利要求1所述的具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，其特征在于，所述的高强韧大直径风电螺栓的抗拉强度Rm≥1385MPa、规定非比例延伸强度Rp≥1157Mpa、断后伸长率A≥16.5％，断面收缩率Z≥55％，AKV(-40℃)≥33.82J。
4.根据权利要求1所述的具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓，其特征在于，所述的高强韧大直径风电螺栓的螺杆心部硬度≥430.6HV，螺杆1/2R处硬度≥432.4HV，螺杆边部硬度≥428.7HV。
5.一种权利要求1所述的具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓的制备方法，其特征在于，先通过转炉+炉外精炼+真空脱气+连铸+棒材轧制制备得到所需棒材，然后将棒材进行定尺锯切+螺帽感应加热墩粗+杆部机加工+热处理+滚丝从而得到具有贝/马复相组织的高强韧大直径风电螺栓。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所需棒材的具体制备工艺为：先通过转炉冶炼合金，并对冶炼后的合金钢液进行炉外精炼，然后吹氩10～15分钟进行真空脱气，之后吊包浇铸并通过连铸得到连铸坯，最后连铸坯经过1100～1150℃加热保温1～2小时后进行轧制，轧后再经过退火和探伤制得。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，高强韧大直径风电螺栓的具体制备工艺为：先制备所需棒材，然后对所需棒材进行定尺锯切，根据最终制备的高强韧大直径风电螺栓尺寸选择进行螺帽感应加热墩粗和杆部机加工，之后910～950℃加热，淬火至180℃～240℃；然后进行配分，配分温度280℃～340℃；最后对尺寸完全符合要求的经过配分处理的材料进行滚丝获得。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在将所需棒材在定尺锯切前需要测定本材料的CCT曲线，确定主要控制的重要参数。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，根据NB/T 31082-2016中选取M36×340样品图定尺下料，螺帽感应加热墩粗，杆部机加工；后续的滚丝也需要根据选取的M36×340样品图尺寸进行。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，按GB/T228.1-2010标准送第三方检测机构进行检测，获得拉伸及冲击试验数据、以及断面硬度试验数据，完全满足大直径12.9级及以上高强韧大直径风电螺栓的性能要求。
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