风电用高强度螺栓调质处理及质量控制.docx

风电用高强度螺栓调质处理及质量控制重点介绍了风电用 M48 以上高强度螺栓调质处理以及 GB/T3098.1 中的设计要求，对选择的调 质处理工艺及执行过程进行阐述，并从热处理技术专业角度，对质量控制要点进行了说明■ 张先鸣/上海申光高强度螺栓有限公司风电作为世界上非常清洁和环保的能源之一，最佳的热处理方案，以获得强度和韧性达到均衡的且满足要求的结果与正火加回火热处理过程相比， B7（42CrMo）钢经 调质处理后，在硬度相同的条件下，它的屈服强度、韧 性和塑性会得到明显地提高，晶粒将会得到进一步的细 化因为晶粒越细小，位错源到晶界的距离就越小，发 生位错的数量就越少， 也就越不易激发相邻位错源开动， 滑移不易转到另一晶粒，使得韧性大大提高；同时，晶 粒越细小，晶内与晶界变形差异越小，变形越均匀，应 力集中小，不易开裂；单位面积晶粒多，有利于变形取 向增多，晶界多曲折，对裂纹扩展有抑制作用通过调 质处理可以获得较为细小的晶粒和较好心部组织，风电 用 B7（42CrMo）钢晶粒度一般可达到 6 级以上，并能获 得较好的回火索氏体，对改善碳化物的析出和分布有良 好的效果1.3 调质处理工艺制定 为获得良好的力学性能结果，制订一份尽量合理的调质处理工艺显得尤其重要。

试验在连续式网带炉生产线加热炉上进行，该加热炉采用六区加热， 炉顶部分分别装有6只热电偶， 对每一 区段分别测温，碳势主要是通过炉体中部的氧探头来测 量并控制整个炉膛的碳势分布保护气氛渗剂为甲醇和 甲苯，高纯度甲醇作为载气，高纯度甲苯裂解作为富化 气，碳势设定为 0.38%～0.45%炉顶装有强力循环风机4只，确保炉内温度和保护气氛均匀；淬火温度、碳势气 氛、网带速度、淬火液温度、搅拌电动机频率等主要技 术参数均采用计算机控制，在计算机显示屏上能全面显 示各系统实际运行状态淬火介质的冷却能力越大，淬硬层越深淬火冷却 介质选用 UCON E 聚合物淬火液使用较高浓度（12 ±1%）PAG 水溶液，用于处理 B7（42CrMoA）钢或 42CrMo4、是世界各国为应对世界生态环境恶化，应对地球变暖而重点发展的能源中国风电产业“十二五”将进入一个持续健康发展时期从目前来看，大 力发展 3～5 MW 大功率的风电机组是重中之重，制造 的难点之一也在于 M48 以上高强度螺栓调质处理，而 其材料选用的是 B7（42CrMo）钢，一方面缺少国家 标准支撑；另一方面设计规范按 EN DIN 标准要求也 近乎苛刻。

众所周知，高强度紧固件的力学性能试验结果是重 点考核的产品质量指标， 也是涉及风电安全的重要指标 对调质处理的工艺及过程的有效控制对于 B7（42CrMo） 钢的力学性能起到至关重要的作用因此，对调质处理 过程进行详细阐述以及指出热处理过程的质量控制要点是十分必要的1 热处理过程阐述1.1 调质热处理定义 调质处理即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织，其中渗碳体呈颗粒状均匀分布这种热处理称为调 质热处理， 主要用于中碳结构钢， 低、 中碳合金钢， 以期 获得良好的综合力学性能10.9 级或以上级螺栓调质热 处理的回火温度应选在500 ℃以上1.2 调质处理目的M48 以上风电高强度螺栓大部分选择 10.9 级，少量 为12.9级 参照GB/T3098.1－2010标准，10.9级高强度螺栓，其硬度值 33～39HRC，抗拉强度 R ≥ 1 040 MPa，m 断后伸长率 A ≥ 9%，断面收缩率 Z ≥ 48%，低温冲击吸收能量（－ 40～－ 45 ℃）K ≥ 27 J在低温－ 40 ℃，V2 冲击吸收能量必须保证大于27 J， 这是风电机组服役寿期的最重要的性能指标，在材料确定的前提下，必须选择62· 2011年第9期装备材料Equipment & MaterialsSCM435（ML35CrMoA） 、40CrNiMoA 等中碳合金钢。

淬火液使用温度一般控制在20～45 ℃之间为保证工件加热后获得约 90% 马氏体组织，应确保工件心部与表面温度达到均匀， 以尽量减少应力集中， 能 够获得较好的高温奥氏体化状态， 尤其是屈强比最佳点， 加热温度在钢的奥氏体化温度以上 30～50℃，应根据使 用的淬火介质选择淬火保温时间高强度螺栓热处理工艺参数见表 1 所示理论上根据 Fe － Fe C 相图以及相变原理和 GB/ 3 T 3 0 9 8 . 1 的要求可以初步设计热处理工艺，而 B 7 （42CrMoA ）钢制订热处理工艺所采用的重要依据为42CrMoA 钢奥氏体连续冷却转变图表 1高强度紧固件热处理工艺参数零件及规格材料牌号保温时间 /minM52*28042CrMoA8608708708708608602101230 － 45M64*35040CrNiMoA8408508508508408402401230 － 45①控温精度±5 ℃表 1 续高强度紧固件热处理工艺参数530540540540240水冷35 － 3710.9 级螺栓530540540540270水冷35 － 3710.9 级螺栓①控温精度±10 ℃。

对材料性能提高的作用体现 另外， 该钢第二类回火脆性特别敏感，在500～600 ℃回火时，快冷与慢冷的冲击吸 收能量值相差 5～7 倍，所以在高温回火后应快冷另外，工艺人员应根据工件的形状规定工件在加 热过程中的方位（如平放、横放或斜放等） ，并根据工 件的大小设计一些辅助的垫块，减少加热对工件的变 形影响1.4 工艺执行 当完整的调质处理工艺制定后，能否严格地将其贯彻执行将直接决定了能否达到预期的热处理效果这就 要求操作人员及质量控制人员，在执行工艺的过程中严 格遵守质量保证体系及热处理规范的要求，确保工艺执 行的准确性1）核对头部标记及检验表面质量 风电高强度螺栓产品的头部标记是非常重要的环节，执行热处理工艺之前需要认真地核对工件上的钢印标记， 包括性能等级、制造厂标、螺栓批次号等，以免将工件弄混，能够追溯到该批螺栓的原材料炉号、热处理批次为了避免因高、中温区冷速不足或冷速不均，而产生大面积软点、 畸变和开裂，对大尺寸紧固件 （52 mm以 上大截面螺栓）要实施高压喷射和剧烈搅拌，最大限度 地进行高、中温区段的热交换42CrMoA 钢含碳量和含铬量比 35CrMoA 钢高，淬透 性和强度随之提高，可用于大截面高强度紧固件，在油 中淬透临界直径为φ 42 mm。

B7 钢成分近似 42CrMoA 钢，B7 钢的含钼量内控在0.18%～0.20% 范围内，比普通的 42CrMoA 钢的含钼量多 了0.02%～0.03%左右 含锰量在0.65%～1.1%范围内， 一 般 B7 的含锰量均在 0.80% ～1.0% 范围，比普通的42CrMoA 含锰量增加 0.10%～0.20%；锰能提高材料强度、 提高淬透性， 但单一锰含量超过0.80%时， 会增加材料开 裂倾向 钼、 锰两种元素同时增加， 能克服单一元素的缺 点， 且材料中的合金元素会相互取长补短， 可以增加材料 综合力学性能经过实践证明，B7 材料各项力学性能要 明显优于 42CrMoA，尤其是在低温冲击试验中，冲击吸收能量合格率明显高于 42CrMoA这就是钼和锰的增加632011 年第 9 期 ·530 540 540 540 270 水冷34 － 36.5 10.9 级螺栓520 530 530 530 240 水冷35 － 37 10.9 级螺栓回火温度① /℃保温时间 /min出炉冷却回火硬度 HRC紧固件等级 一区二区三区四区510 520 520 520 240 水冷34.5 － 36.5 10.9 级螺栓M56*420 B7 850 860 860 860 860 860 240 12 30 － 45M56*335 42CrMo4 840 850 850 850 850 850 210 12 30 － 45淬火温度① /℃ 一区二区三区四区五区六区淬火液浓度 / % 温度 / ℃M48*330 SCM435 850 860 860 860 850 850 210 11.5 30 － 45装备材料Equipment & Materials及生产发货批次。

对表面质量需要仔细检查，以避免热处理过程中因 应力集中而导致淬火开裂的缺陷存在，还可以根据所获 得的性能试验数据结果进行比对，为后续工艺的优化提 供有力的技术支撑2）装炉 一般情况下， 为防止变形， 应按热处理工艺要求将工件尽量平放、横放，对过长的工件呈 45 °斜放，并按一 定的方位来摆放对需加辅助垫块的也要有相应的要求3）执行工艺及淬火 淬火的加热保温过程应根据网带炉的运行速度调整 淬火前应检查淬火液循环系统、 提升系统、 液温等 淬火槽的水循环系统运行的有效性是十分关键的，因 为其直接决定了工件的冷却速率， 在出炉淬火时， 从网 带炉到淬火槽的时间在2 s内完成， 应尽量缩短控制好 提升速度， 工件出淬火液的温度最好在约100 ℃， 以减 少热应力和组织应力在此过程中应对液温和工件进 行详细的记录4）回火及冷却 在回火过程中应根据网带炉状态及时准确的进行调整，以便于保证工件各个部位的保温温度尽快地达到一 致，共同进入保温过程对中碳合金钢高温回火，该类钢第二类回火脆性特 别敏感，在 500～600℃回火时，快冷与慢冷的冲击吸收 能量值相差 5～7 倍，回火结束后一般采用水冷5）记录 在整个调质处理过程中需要记录很多相关的工艺参数及要求， 大体为工件的装炉方位， 淬火加热保温温度、 淬火加热保温时间、 工件出炉时间、 淬火液温的变化、 工 件出炉温度、回火保温温度和回火保温时间等。

电脑内 的记录应保存备查，它最能是热处理过程中温度随时间 变化的证据，为保证其追溯性，每天在热处理完成后应及时将记录进行整理或打印保留至少淬火操作，目前还没有一种传感技术手段可以实时反映冷却过程中温度场与组织变化的信息，所 以有人将淬火冷却喻为 “黑洞” ， 意指人们对其知之甚 少，而有待挖掘的潜力巨大仅仅依靠调质处理后的 检验，事实上并不能严格把住调质处理的质量关潜 伏的隐患常常在产品投入使用才暴露，甚至可能导致 重大事故M48 以上高强度螺栓调质处理质量控制要点如下1）认真对热处理工艺进行编制、审核、批准，确保 热处理工艺在满足标准、 设计规范的基础上尽量优化， 保 证达到性能指标要求，并保证其可执行性质量控制人 员可以根据实际情况及用户的要求对工艺的合理性提出 建议2） 装炉前应认真核对螺栓头部标记， 保证被处理工 件的信息准确无误和热处理后不丢失以及可辩认3）装炉时应保证螺栓平整、平放、横放，对过长的 工件呈45 °斜放， 尽量从装炉环节上减少工件变形 在 工艺或用户有要求时应准确记录装炉方式4）淬火加热过程严格控制，碳势要准确无误，记录 每一批螺栓淬火出炉的时间，在出水后应检测工件表面 硬度，除 SCM435 钢大于 50HRC 外，其余应大于 53HRC。

淬火后的显微组织为细针状马氏体， 按JB/T9211－2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》 评定， 淬火马氏 体为1～4级符合标准要求；表面与心部淬火硬度均匀度 不大于 3HRC5） 为了减少淬火变形和淬火开裂的可能性， 最好的 办法是凭冷却特性来控制浓度使用 PAG 淬火液的目的 是把它作为水的添加剂加入水中来调节其冷却特性因 此，热处理生产中要求控制的也应当是淬火液的冷却特 性实践证明：一是凭经验从螺栓的淬火效果来调整浓 度；二是用冷却特性仪来控制浓度凭经验调整浓度的做法是对螺栓的淬火态硬度作记 录，做成图表，用来观察同类螺栓的硬度变化趋势当 发现螺栓的淬火硬度连续偏高到一定程度时，及时采取 升高浓度等办法来降低实际的冷却速度，就可以防止出 现淬火开裂而当发现螺栓的硬度连续一段偏低或硬度 高低不均，以及有较大变形时，可以考虑降低。