一种高淬透大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法技术

一种高淬透大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法，属于高强度风电螺栓用钢技术领域，该钢化学成分重量％为：C 0.35‑0.45％，Si≤0.20％，Mn 0.60‑1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr 1.00‑1.50％，Mo 0.15‑0.40％，B 0.0005‑0.003％，Ti 0.03‑0.08％，Als 0.02‑0.05％，N≤0.005％，Ca 0.0001‑0.0003％,其余为Fe及不可避免的杂质。主要用于制造10.9—12.9级，尺寸规格在42—75mm范围的大尺寸风电螺栓。通过控制钢中酸溶铝含量获得高淬透性，利用淬透性模型计算设计元素上下线范围，提高螺栓截面硬度与力学性能的稳定性，细化晶粒提高大尺寸螺栓钢的低温冲击韧性。

High hardenability large size wind bolt steel and its manufacturing method

A high quenched large scale wind power bolt steel and its manufacturing method, which belong to the technical field of high strength wind power bolts. The weight% of the chemical composition of the steel is: C 0.35, Si, 0.20%, Mn 0.60, 0.60, 1%, P < 0.012%, S < 0.005%, Cr 1 1.50%, Mo 0.15 0.15 0.40%, B 0.0005 0.0005 0.003%, Ti 0.003% 0.03, 0.08%, Als, 0.02, 0.05%, N, 0.005%, Ca, 0.0001, 0.0003%, and the rest are Fe and unavoidable impurities. It is mainly used for manufacturing large-size wind bolts with 10.9 - 12.9 grade and 42 - 75mm sizes. By controlling the content of acid soluble aluminum in steel, the high hardenability was obtained. The hardenability model was used to calculate the line range of the elements, to improve the stability of the hardness and mechanical properties of the bolt section, and to improve the low temperature impact toughness of the large size bolt steel.

【技术实现步骤摘要】
一种高淬透大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法
本专利技术属于高强度风电螺栓用钢领域，特别是提供了一种高淬透性大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法。主要用于制造10.9—12.9级，尺寸规格在42—75mm范围的大尺寸风电螺栓。通过控制钢中酸溶铝含量获得高淬透性，利用淬透性模型计算设计元素上下线范围，提高螺栓截面硬度与力学性能的稳定性，细化晶粒提高大尺寸螺栓钢的低温冲击韧性。
技术介绍
近年来，我国风电行业尤其是大容量的兆瓦级别大型风力发电机组得到快速发展，风电设备用的高强度紧固件由于长期野外服役，环境恶劣，维修条件差，所以要求风机稳定性强。正常连续工作情况下，风电螺栓要求必须保证20年以上的使用寿命。由于风机容量不断增大，带来风塔的重量持续提高，因此风电螺栓的应用规格不断增大，目前海上大容量风机螺栓最大直径为72mm，通常采用42CrMo、B7类螺栓钢制造10.9级风电螺栓，但42CrMo螺栓钢最大淬透直径为42mm，如果采用42CrMo钢制造42mm以上螺栓，其表面与心部性能差异极大(硬度波动达到5-8HRC，心部韧性低于指标要求-40℃≥27J)，如此大的性能波动在使用过程中会发生局部过载导致螺栓失效，造成重大事故，说明使用传统42CrMo类螺栓钢制造大尺寸风电螺栓会对风机造成极大的安全隐患，不能满足大尺寸42mm以上螺栓的指标要求。因此，研发一种既满足大尺寸风电螺栓的高淬透性要求，又可确保螺栓产品质量稳定的螺栓钢具有十分重要的意义。本专利技术目的在于，螺栓钢淬透性达到42mm—75mm螺栓全淬透的需求，螺栓产品心部与表面硬度差小于3HRC，以满足大容量风机对大尺寸螺栓应用安全性稳定性的需要。为此，本专利技术主要基于解决以下三个方面问题：1、控制硬度波动；2、42mm—75mm尺寸全淬透；3、提高心部低温韧性控制。综上所述，针对大尺寸风电螺栓钢存在的问题，有必要提供一种满足大尺寸风电螺栓服役安全稳定的高淬透性螺栓钢及其制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高淬透性大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法，抗拉强度在1100-1400MPa范围内，性能稳定，经济性高、具有良好淬透性的风电螺栓用钢。大尺寸风电螺栓的力学性能稳定性主要受螺栓钢淬透能力的制约，钢中合金元素对力学性能最主要的作用是增加淬透性，使截面较大的螺栓也可淬透。许多合金元素可使回火转变得缓慢，抗回火稳定性好，与中碳钢相比需要较高的回火温度，可以得到较好的强度与韧度的配合。但是，合金元素也给高强度螺栓调质带来了不利影响，其中很重要的是回火脆性问题，应严格避免，否则会大大降低冲击功值。高强度螺栓调质淬火时，要求整个截面90％以上获得马氏体组织，即钢材必须淬透。淬火深度不仅与钢材的化学成分有关，而且也受试样大小、加热温度、冷却介质、冷却方法等影响。生产中常用临界直径来衡量钢的淬透性。20MnTiB、35VB和35CrMo钢属于低淬透性合金钢，油淬临界直径一般不大于Ф25mm,因此此只适宜M24-M30以下钢螺栓制造。30CrMnSi钢是推荐用于高强度紧固件的替代钢种，它有较好的综合性能，在调质状态下具有较高的强度和足够的韧度，淬透性并不高，油淬临界直径为Ф25mm；而风电用高强度螺栓直径均大于Ф30mm，常选用42CrMo、B7和40CrNiMo钢，油淬临界直径为Ф42-45mm，对于超过临界直径的大截面螺栓没有成熟应用的材料。综上所述，目前针对直径大于42mm风电螺栓无稳定达到淬透性要求的材料，行业内提高淬透性的常用方法为添加合金元素Cr，Ni，Mo等，但合金元素的大量加入会降低螺栓韧性(风电螺栓对韧性要求-40℃AKv≥27J)，因此寻求其他技术方法解决淬透性问题十分必要。螺栓钢冶炼脱氧副产物酸溶铝是一直未被重视的影响钢铁材料淬透性的重要因素，其在钢中含量的多少直径决定了材料淬透性的高低，本专利技术通过合金成分设计定量引入酸溶铝，并通过制造工艺控制保证成品材料中酸溶铝含量，实现大尺寸风电螺栓钢的淬透性稳定达到直径在42-75mm范围风电螺栓要求。本专利技术的高淬透性大尺寸风电螺栓用钢化学成分重量％为：C0.35-0.45％，Si≤0.20％，Mn0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr1.00-1.50％，Mo0.15-0.40％，B0.0005-0.003％，Ti0.03-0.08％，Als0.02-0.05％，N≤0.005％，Ca0.0001-0.0003％,其余为Fe及不可避免的杂质。制造方法：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。本专利技术所采用的技术方案原理是：1、酸溶铝及合金元素淬透性计算基于淬透性带宽(≤3HRC)的成分设计：解决螺栓钢在热处理后的性能波动，需要对化学成分进行窄成分控制，由于淬透性带宽对应淬火后硬度的波动范围，因此基于淬透性带宽≤3HRC的成分设计，可获得淬火后硬度波动小于3HRC的螺栓钢。利用淬透性计算公式：h＝[6.9[Mn]2+3.2[Si]+22.6[Cr]2+23.1[Mo]+(13.0[Cr]+2.5[Mo]+9.7)[Ni]+7.9[B]×103+2.5][C]Jmax＝66.5-47.8exp(-4[C])b＝0.22h-0.34Jmin＝56.2[C]+11.0[Mn]+2.0[Si]+13.6[Cr]+28.0[Mo]+3.3[Ni]-2.6[B]×103-17.3计算获得满足J25处淬透性带宽≤3HRC的专利技术钢中主要元素的化学成分上、下线，淬透性计算曲线所示。依据计算结果确定专利技术钢中Mn、Mo、Cr、B元素的含量需控制在如下范围可保证J25处淬透性带宽不大于3HRC,其中Mn：0.60-1.00％,Cr：1.00-1.50％,Mo：0.15-0.40％，B：0.0005-0.003％,Als：0.02-0.05％。同样，利用上述公式计算GB/T6478-××××中ML42CrMo成分上下线淬透性带宽作为对比，表明未经淬透性带宽计算窄成分控制设计的ML42CrMo螺栓钢淬透性带宽为7HRC，显然专利技术钢的窄成分控制可实现淬透性带宽小于3HRC，热处理后硬度波动小。2、纳米析出相设计热力学平衡条件下钢中纳米析出行为：Ti元素在热加工与热处理过程中可形成纳米级析出相，析出相一方面可细化原奥氏体晶粒，另一方面可产生析出强化效果，有利于高温回火的稳定性。析出相细化晶粒与析出强化的效果由其尺寸大小、析出量多少决定，因此掌握Ti元素的析出行为规律是合金成分设计的关键，通过Thermo-calc热力学软件及实验室相分析理论与实验相结合方法确定Ti元素在热力学平衡条件下的析出量如图3所示，理论计算与相分析实验数据相吻合，Ti元素经过热变形及热处理后全部析出。图4给出相分析获得的不同尺寸析出相中Ti元素百分含量的分布状态，结果表明在热力学平衡条件下Ti元素在钢中以不同尺寸析出相析出，且成一定比例析出，上述理论计算与实验结果为析出相控制提供了基本数据。基于析出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高淬透性大尺寸风电螺栓用钢，其特征在于，该钢的具体化学成分重量％为：C 0.35‑0.45％，Si≤0.20％，Mn 0.60‑1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr 1.00‑1.50％，Mo 0.15‑0.40％，B 0.0005‑0.003％，Ti 0.03‑0.08％，Als 0.02‑0.05％，N≤0.005％，Ca 0.0003‑0.001％,余量为Fe及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高淬透性大尺寸风电螺栓用钢，其特征在于，该钢的具体化学成分重量％为：C0.35-0.45％，Si≤0.20％，Mn0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr1.00-1.50％，Mo0.15-0.40％，B0.0005-0.003％，Ti0.03-0.08％，Als0.02-0.05％，N≤0.005％，Ca0.0003-0.001％,余量为Fe及...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐乐，时捷，王毛球，李晓源，闫永明，孙挺，何肖飞，蔚文超，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11