一种海上、岩石用大规格高强度风电紧固件钢及其制造方法与流程

1.本发明属于能源风力发电行业用钢的设计及生产制造技术领域，具体涉及一种产海上、岩石用大规格高强度风电紧固件调质银亮圆钢及其制造方法。


背景技术：

2.当今地球上自然资源日益枯竭，发展可再生能源及提高能源的利用率已经成为世界各国无可争议的战略目标。随着风机技术的日趋成熟和风电成本的下降，世界风电装机容量高速增长，因此海上、岩石用大规格高强度风电紧固件调质银亮圆钢的需求越来越大，但因其恶劣的工作环境具有两大特点：1)极冷极热的环境温度；2)多变的载荷。为此，对风电紧固件用调质钢提出了苛刻的技术指标要求：
①
采用与圆钢等直径的整体拉伸试样，检验强度、断后延伸率、断面收缩率，达到的性能指标：抗拉强度1040～1170mpa，屈服强度≥940mpa，断后延伸率≥9％，断面收缩率≥48％；
②
在满足高强度、塑性指标的基础上，圆钢四分之一直径(二分之一半径)部位的低温冲击功akv(-20℃)≥35j，akv(-40℃)≥27j；
③
钢材淬火后芯部马氏体组织达到90％以上，随后的高温回火芯部得到90％以上索氏体；
④
维氏硬度：圆钢表面与芯部之差hv0.3≤30，四分之一直径部位hv10：320～375，表面hv0.3≤375。若达到上述指标要求，钢材应具有足够的淬透性，高的强度、塑韧性及均匀的热处理组织稳定性。


技术实现要素：

3.本发明的大规格高强度海上、岩石用风电紧固件调质银亮钢，通过钢的元素成分优化，冶炼、轧制、热处理等各工艺环节控制，用于替代传统的40crnimo、34crnimo6、aisi4340高ni钢，满足高端大规格紧固件调质处理材料芯部组织淬透、全截面超低硬度差分布及高强韧性最佳匹配等要求。
4.本发明的技术方案为：一种海上、岩石用大规格高强度风电紧固件钢，该钢的元素成分按质量百分比组成为：c：0.38～0.45％，si：0.20～0.40％，mn：0.80～1.00％，cr：1.15～1.30％，mo：0.30～0.45％，ni：0.30～0.50％，p：≤0.015％，s：≤0.005％，al：0.010～0.040％，h：≤0.0001％，余量为fe及不可避免的杂质元素。
5.圆钢的生产直径范围为16～78mm。
6.本发明圆钢的元素成分按如下原理确定：
7.c的作用是提高钢的淬透性、提高钢的强度，相比其它合金，c对淬透性、强度的提高最为明显，但随着c的提高，最终紧固件在调质热处理后低温冲击韧性会显著下降。为此优选c：0.38～0.45％。
8.本发明中合金元素si、mn、cr、ni、mo的作用首先是提高钢的淬透性，合金元素对淬透性的贡献最大的是mn、cr，mo、ni，si对淬透性也有贡献。经过多次元素成份和强度、硬度、塑性、低温冲击韧性等指标的综合试验分析，确定了mn、cr、mo、ni、si各合金元素最佳含量配比。
9.mn的作用是提高钢的淬透性，提高淬回火后钢的强度，但mn易与钢中s亲和，形成mns非金属夹杂物，使钢的强韧性下降，mn含量太高还会与p、s等杂质一起在钢的晶界处偏聚，使钢的的韧性降低，本发明中优选mn：0.80～1.00％。
10.cr的作用是提高钢的淬透性，提高钢淬回火后的强度，cr的另一个作用是与钢中的c形成碳化物，调质钢中cr还可以改善钢的抗腐蚀性能，本发明中优选cr：1.15～1.30％。
11.mo是强c化物形成元素，mo的主要作用和cr相近，提高淬透性并与c形成碳化物，mo的另一作用是抑制钢的氧化，从而提高紧固件的冲击断裂抗力和过载疲劳抗力，重要用途的紧固件材料，一般均会加mo元素，考虑成本本发明优选mo：0.30～0.45％。
12.ni是非碳化物形成元素，它在钢中的作用除了提高淬透性外，还能改善钢的冲击韧性，当它与cr、mo结合的时候，淬透性显著提高，此外ni还能提高紧固件的对称拉压疲劳强度σ-1，考虑成本本发明优选ni：0.35～0.50％。
13.si是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度，si也可以提高淬透性，并具有抗回火软化效果，但si含量较高时会增加钢的脆性，本发明控制si：0.20～0.40％。
14.al是钢中的脱氧元素，al与钢水中的氧结合生成al2o3上浮到渣中，从而降低钢水中的氧含量，al的另一个作用是细化晶粒，通过添加一部分al，从而基体的强度和韧性提高，并提高对称拉压疲劳强度σ-1，本发明控制al：0.010～0.40％。
15.p是钢中的有害元素，p特别容易在晶界偏聚，降低晶界的强度和韧性，对最终淬火 高温回火后的紧固件冲击韧性有非常不利的影响，最终影响材料的疲劳性能，本发明优选p：≤0.015％。
16.s是钢中的有害元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢材的韧性带来不利的影响，并显著降低钢的热加工性和抗腐蚀性能，应尽量地减少其含量，本发明优选s：≤0.005％。
17.h在钢中会引起氢脆、白点等缺陷，使钢的塑性、韧性及疲劳强度显著降低，h还能够导致钢的延迟断裂，此对高强度紧固件材料特别敏感，本发明优选h：≤0.0001％。
18.本发明另提供上述海上、岩石用大规格风电紧固件调质银亮圆钢的制造方法，按所述的钢种特性，优选冶炼合金原料和铁水，冶炼符合元素设计要求的钢水，利用连铸工艺浇注成矩形连铸坯。
19.矩形连铸坯在弱氧化性气氛步进式加热炉内缓慢加热，预热段温度650～850℃，加热段温度1100～1260℃，均热段温度1230～1260℃，经高压水除鳞后进入计算机自动控制的全连轧机组连续式轧制圆钢，经粗轧 精轧分段式轧制，粗轧压下量达30％以上，精轧总压下量达100％，从连铸坯到热轧棒材总压缩比≥20。开轧温度1070～1150℃，终轧温度920～970℃。轧制后棒材如缓冷坑缓慢冷却，下线入缓冷坑温度≥450℃，缓冷出坑温度≤120℃。轧制棒材低倍组织按astm e381标准评级满足：s、r、c均≤1.0级，显微组织为铁素体 珠光体。
20.轧制冷却后圆钢在连续式辊底炉调质处理，奥氏体化温度控制850～890℃，保温时间控制t(min)≥1.0*d(d为钢材直径)，淬火介质为水，钢材经充分奥氏体化并快速水淬冷却处理，得到90％以上均匀马氏体组织；淬火后钢材的马氏体组织经540～600℃高温回火处理，回火保温时间控制t(min)≥3.0*d(d为钢材直径)，回火介质为空气，得到90％以上均匀索氏体组织。
21.钢材从轧制后的铁素体 珠光体组织经调质处理后变成了室温下平衡态的回火索氏体组织，其钢的强度、塑性和韧性显著提高，具有了良好的综合机械性能，可以较好的满足高质量紧固件产品的使用性能要求。
22.调质处理后棒材经精矫、车皮深加工成调质银亮钢棒，实现表面探伤(标的n＝0.1mm) 超声波探伤(en 10308标准4级)及表面粗糙度ra≤1.6μm的标准检测并合格。探伤合格调质银亮钢棒不再热处理经两端车螺纹后制造成风电紧固件，应用于海上及岩石等苛刻工作环境风机装备中，并同时满足：
23.①
采用与圆钢等直径的整体拉伸试样，检验强度、延伸率、断面收缩率，达到的拉伸性能指标为：抗拉强度＝1040～1170mpa，屈服强度≥940mpa，断后延伸率≥9％，断面收缩率≥48％；
24.②
在满足高强度、塑性指标的基础上，圆钢四分之一直径部位低温冲击功akv(-40℃)≥27j；
25.③
钢材淬火后芯部马氏体组织达到90％以上，最终回火后调质圆钢全截面组织为均匀90％以上索氏体；
26.④
维氏硬度：圆钢表面与芯部之差hv0.3≤30，四分之一直径部位hv10＝320～375，表面hv0.3≤375。四项要求基础上，降低风机生产成本。
27.与现有技术相比，本发明的优点在于：
28.(1)提供了一种适合于海上、岩石用最大规格m80(圆钢直径78mm)高强度紧固件新材料及制造方法。
29.(2)对钢中合金元素c、mn、cr、mo、ni最佳配比，代替传统40crnimo、34crnimo6、aisi4340等贵重合金元素ni较高的合金钢，提高圆钢的淬透性。
30.(3)按照本发明生产的调质银亮圆钢生产的风电紧固件产品达到了优良强韧性配合。力学性能同时满足以下要求：
①
采用与圆钢等直径的整体拉伸试样，检验强度、延伸率、断面收缩率，达到性能：抗拉强度1040～1170mpa，屈服强度≥940mpa，断后延伸率≥9％，断面收缩率≥48％；
②
在满足高强度、塑性指标的基础上，圆钢四分之一直径部位的低温冲击功akv(-20℃)≥35j，akv(-40℃)≥27j；
③
钢材淬火后芯部马氏体组织达到90％以上，即随后的高温回火芯部得到90％以上索氏体；
④
维氏硬度：圆钢表面与芯部之差hv0.3≤30，四分之一直径部位hv10＝320～375，表面hv0.3≤375。以上均满足海上及岩石用风力发电关键部件的高强韧性、淬透性及组织均匀性要求。
31.(4)本发明圆钢的制造采用连铸-连轧-连续式热处理短流程工艺，生产海上、岩石用大规格风电紧固件用调质银亮钢深加工材料，节约了生产工序与成本，并通过高压循环水淬火冷却，代替传统的油、水溶性淬火介质等淬火液，实现绿色节能及环保。
附图说明
32.图1为本发明实施例1中调质态芯部组织(500
×
)；
33.图2为本发明实施例2中调质态芯部组织(500
×
)。
具体实施方式
34.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于
解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.实施例1
36.本实施例涉及的紧固件为m80规格(圆钢直径78mm)，其化学成分按质量百分比计为：c：0.42％，si：0.28％，mn：0.95％，cr：1.25％，mo：0.34％，ni：0.40，cu：0.08％，al：0.029％，h：0.00008％，余量为铁及不可避免的杂质元素。按照高炉铁水kr预处理
→
电炉(eaf)或转炉(bof)初炼
→
钢包lf炉精炼
→
vd或rh脱气炉真空脱气
→
氩气保护浇铸矩形连铸坯
→
连轧圆钢
→
连续式辊底炉调质处理
→
精矫、车皮
→
表面及超声波探伤、检测等步骤生产。
37.实施的具体步骤是：
38.1)使用低p、s等杂质元素含量的kr预处理铁水，经电炉或转炉初炼，lf炉精炼，过程中加强脱氧，精炼结束后钢包转入vd或rh炉真空脱气，去气体及夹杂物。
39.2)连铸钢水低过热度控制，利用结晶器和末端电磁搅拌，降低连铸坯偏析，改善内部质量。
40.3)连铸坯缓冷后到步进式加热炉内加热，预热段温,760～798℃，加热段温度1130～1149℃，均热至1230～1260℃，出炉后铸坯经高压水除鳞高温去掉氧化铁皮，经计算机自动控制的全连轧机组连续式轧制成调质银亮圆钢母材，轧制开轧温度1070～1150℃，终轧温度920～970℃，轧制过程从铸坯到圆钢总压缩比21％。轧后棒材缓慢冷却，下线入缓冷坑温度478℃，缓冷出坑温度112℃。轧制棒材低倍组织按astm e381标准评级s、r、c均0.5级，显微组织为铁素体 珠光体。
41.4)轧制后棒材入连续式辊底热处理炉经淬火 高温回火调质处理，奥氏体化温度850～870℃，保温时间86分钟，淬火介质为水，水淬后得到100％均匀马氏体组织；经565～585℃高温回火，保温时间251分钟，回火介质为空气，最终得到100％均匀索氏体组织，即铁素体基体上分布着球粒状碳化物(包括渗碳体)的复合组织(铁素体与粒状碳化物的混合物)，该组织的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物，是常温下的平衡组织，具有较高的综合机械性能。
42.5)调质处理后棒材经精矫并车皮深加工成银亮圆钢，实现表面探伤(标的n＝0.1mm )超声波探伤(en 10308标准4级)及表面粗糙度ra≤1.6μm的标准检测并合格。
43.上述圆钢两端车螺纹后制造紧固件产品，力学性能见表1，金相组织见附图1为100％均匀回火索氏体组织，达到了本项目m80大规格海上、岩石用风电紧固件产品技术规范要求。
44.表1实施例1紧固件产品机械性能
[0045][0046][0047]
※
采用整体紧固件直径试样测定拉伸性能；低温冲击功在紧固件横截面1/4直径部位测试；维氏硬度在紧固件横截面的表面、芯部、1/4直径部位分别测试。
[0048]
实施例2
[0049]
本实施例涉及的紧固件为m72(圆钢直径70mm)，其化学成分按质量百分比计为：c：0.41％，si：0.25％，mn：0.93％，cr：1.23％，mo：0.31％，ni：0.37，cu：0.06％，al：0.026％，h：0.00007％，余量为铁及不可避免的杂质元素。按照高炉铁水kr预处理
→
电炉(eaf)或转炉(bof)初炼
→
钢包lf炉精炼
→
vd或rh脱气炉真空脱气
→
氩气保护浇铸矩形连铸坯
→
连轧圆钢
→
连续式辊底炉调质处理
→
精矫、车皮
→
表面及超声波探伤、检测等步骤生产。
[0050]
实施的具体步骤是：
[0051]
1)使用低p、s等杂质元素含量的kr预处理铁水，经电炉或转炉初炼，lf炉精炼，过程中加强脱氧，精炼结束后钢包转入vd或rh炉真空脱气，去气体及夹杂物。
[0052]
2)连铸钢水低过热度控制，利用结晶器和末端电磁搅拌，降低连铸坯偏析，改善内部质量。
[0053]
3)连铸坯缓冷后到步进式加热炉内加热，预热段温,767～803℃，加热段温度1141～1153℃，均热至1230～1260℃，出炉后铸坯经高压水除鳞高温去掉氧化铁皮，经计算机自动控制的全连轧机组连续式轧制成调质银亮圆钢母材，轧制开轧温度1070～1150℃，终轧温度920～970℃，轧制过程从铸坯到圆钢总压缩比25％。轧后棒材缓慢冷却，下线入缓冷坑温度471℃，缓冷出坑温度105℃。轧制棒材低倍组织按astm e381标准评级s、r、c均0.5级，显微组织为铁素体 珠光体。
[0054]
4)轧制后棒材入连续式辊底热处理炉经淬火 高温回火调质处理，奥氏体化温度850～870℃，保温时间83分钟，淬火介质为水，水淬后得到100％均匀马氏体组织；回火温度565～585℃，保温时间227分钟，回火介质为空气，回火后得到100％均匀回火索氏体组织。
[0055]
5)调质处理后棒材经精矫并车皮深加工成银亮圆钢，实现表面探伤(标的n＝0.1mm )超声波探伤(en 10308标准4级)及表面粗糙度ra≤1.6μm的标准检测并合格。
[0056]
上述圆钢两端车螺纹后制造紧固件产品，力学性能见表2，显微组织见附图2，为100％的均匀回火索氏体组织，达到了本项目m72大规格海上、岩石风电紧固件技术规范的要求。
[0057]
表2实施例2紧固件产品的机械性能
[0058][0059]
※
采用整体紧固件直径试样测定拉伸性能；低温冲击功在紧固件横截面1/4直径部位测试；维氏硬度在紧固件横截面的表面、芯部、1/4直径部位分别测试。
[0060]
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。