摘 要:介紹了高寒地區(qū)服役的10.9級(jí) M36風(fēng)電螺栓用鋼的種類及其加工工藝,從晶體結(jié)構(gòu)、 化學(xué)成分、調(diào)質(zhì)前原始組織、調(diào)質(zhì)前加工處理工藝以及調(diào)質(zhì)處理工藝等方面,綜述了高強(qiáng)度風(fēng)電螺 栓用鋼低溫沖擊性能的研究進(jìn)展,對(duì)采用冷鐓熱軋盤條工藝生產(chǎn)10.9級(jí)風(fēng)電螺栓的低溫沖擊性能 偏低的原因進(jìn)行分析,最后提出了冷鐓SCM440鋼熱軋盤條生產(chǎn)10.9級(jí)風(fēng)電螺栓采取的提高低溫 沖擊性能的措施。
關(guān)鍵詞:熱軋盤條;高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓;低溫沖擊性能;化學(xué)成分;調(diào)質(zhì)處理
中圖分類號(hào):TG142.1 獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-3738(2021)04-0001-07
0 引 言
緊固件作為各行業(yè)最基礎(chǔ)的零部件,在工作時(shí) 除受到軸向預(yù)緊拉伸載荷的作用外,還會(huì)受到附加 的拉伸交變載荷、橫向剪切交變載荷或由二者復(fù)合 而成的彎曲載荷的作用[1]。風(fēng)電螺栓除受到上述載 荷作用外,還隨主機(jī)一起常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒、極端溫 差、鹽霧腐蝕等作用。因此,風(fēng)電螺栓除了需具有足 夠的強(qiáng)度和塑性外,還應(yīng)具有足夠的韌性[2-3]。材料 存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度,風(fēng)電螺栓在此溫度以下使用時(shí), 將存在斷裂風(fēng)險(xiǎn),從而造成生命財(cái)產(chǎn)損失,因此研究風(fēng)電螺栓用鋼的低溫沖擊性能顯得十分重要。目 前,大規(guī)格風(fēng)電螺栓的低溫沖擊功普遍偏低,尤其是 冷鐓成型風(fēng)電螺栓常出現(xiàn)因低溫沖擊性能不合格而 返工的現(xiàn)象。作者以10.9級(jí) M36風(fēng)電螺栓用鋼為 研究對(duì)象,對(duì)該鋼的低溫沖擊性能研究進(jìn)展進(jìn)行了 綜述,并對(duì)由SCM440熱軋盤條經(jīng)冷鐓工藝生產(chǎn)的 10.9級(jí)風(fēng)電螺栓低溫沖擊性能偏低的原因進(jìn)行了分析。
1 高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓用鋼及技術(shù)要求
目前,高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓的強(qiáng)度等級(jí)大部分選擇 10.9級(jí),少量選擇8.8級(jí),高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓一般采用 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%~0.55%的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制 造,其中:規(guī)格不大于 M24的螺栓選用20MnTiB鋼;規(guī)格為 M27、M30的螺栓選用35VB鋼或35CrMoA 鋼;規(guī)格不小于 M36的螺栓一般選用42CrMo鋼、B7 鋼、SCM440 鋼、40CrNiMoA 鋼,少 量 允 許 使 用 30CrMnSiA鋼。40CrNiMoA鋼具有最優(yōu)的沖擊韌性 和淬透性[4-5]。B7鋼為美國(guó) ASTM 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,其化學(xué) 成分標(biāo)準(zhǔn)范圍較寬,涵蓋了美國(guó)合金結(jié)構(gòu)鋼體系中的 AISI4140、 AISI4142、 AISI4145、 AISI4140H、 AISI4142H、AISI4145H 等 6 個(gè)牌號(hào),而風(fēng)電螺 栓 用 B7鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)范圍與 AISI4140合金結(jié) 構(gòu)鋼的一致。SCM440 鋼為日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,相 當(dāng)于 GB/T6478-2015中的 ML40CrMo鋼或 GB/T 3077-2015中的42CrMo鋼。目前,10.9級(jí) M36風(fēng) 電螺栓 用 鋼 主 要 為 SCM440 鋼、42CrMo 鋼 和 B7 鋼,其化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)范圍見表1。
目前,8.8級(jí)及以上高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓的制造工 藝主要為冷鐓和熱(溫)鍛。由熱軋盤條生產(chǎn)風(fēng)電螺 栓時(shí)采用冷鐓工藝,其生產(chǎn)工藝流程為球化退火→ 酸洗磷化→拉拔→冷鐓成型→加工螺紋→淬火和回 火→表面處理;由熱軋棒材生產(chǎn)風(fēng)電螺栓時(shí)采用熱 (溫)鍛工藝,其生產(chǎn)工藝流程為酸洗磷化→拉拔→ 下料→熱(溫)鍛成型→六角整形→淬火和回火→加 工螺紋→表面處理。與熱(溫)鍛工藝相比,采用冷 鐓工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓具有更高的效率和成材 率,目前 M36及以下規(guī)格風(fēng)電螺栓逐漸改用冷鐓工 藝生產(chǎn)。高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓均需要通過860~890 ℃ 淬火+450~600 ℃高溫回火,即調(diào)質(zhì)處理才能獲得 具有良好強(qiáng)韌性的回火索氏體組織。10.9級(jí)高強(qiáng) 度風(fēng)電螺栓的硬度為33~39 HRC,抗拉強(qiáng)度不低 于1040 MPa,斷后伸長(zhǎng)率不小于9%,斷面收縮率 不小 于 48%,-40~ -45 ℃ 低 溫 沖 擊 吸 收 能 量 (AKV2 )不低于27J。
2 影響10.9級(jí) M36風(fēng)電螺栓用鋼低溫沖擊 性能的因素
2.1 晶體結(jié)構(gòu)
在常見的3種晶體結(jié)構(gòu)中,易發(fā)生低溫脆性現(xiàn) 象的結(jié)構(gòu)為體心立方和密排六方結(jié)構(gòu)[6]。高強(qiáng)度風(fēng) 電螺栓用SCM440鋼為體心立方結(jié)構(gòu)材料,存在低 溫脆化現(xiàn)象。通常,材料的晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,對(duì)稱性 越差,位錯(cuò)阻力越高;若位錯(cuò)阻力對(duì)溫度變化敏感, 則對(duì)屈服強(qiáng)度的影響更大,冷脆傾向更明顯,低溫沖 擊性能更差。張偉強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn),42CrMo調(diào)質(zhì) 鋼在-150~700 ℃范圍的屈服強(qiáng)度隨溫度的升高呈降低趨勢(shì),但在0~250℃范圍屈服強(qiáng)度存在一個(gè) 變化平緩的平臺(tái),這是由于此時(shí)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能 力較強(qiáng),對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用較大導(dǎo)致的。
2.2 化學(xué)成分
2.2.1 常規(guī)合金元素
SCM440鋼為中碳合金鋼,其中碳、硅、錳、鉻、 鉬等為主要元素,硫、磷、鎳、銅等為次要元素。碳作 為鋼中最主要的元素,可提高鋼的強(qiáng)度,但會(huì)降低塑 韌性、耐腐蝕性能、冷彎性能、焊接性能,并增大低溫 冷脆傾向,因此為保證該鋼良好的低溫沖擊性能,碳 含量應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍的下限;硅可提高鋼的強(qiáng)度、 淬透性,但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時(shí)會(huì)降低塑韌性、提 高韌脆轉(zhuǎn)變溫度,因此在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)提高硅 含量以彌補(bǔ)由低碳引起的淬透性和強(qiáng)度損失。合金 元素錳、鉻、鎳、鉬均能提高鋼的淬透性,同時(shí)鉻元素 可明顯提高鋼的回火脆性,使韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高,鉬 元素則可抑制回火脆性,鎳元素為低溫用鋼的主要 合金元素,可提高鋼的常溫塑性和韌性,也可改善鋼 的低溫韌性,使韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。李靜媛等[8]研 究發(fā)現(xiàn),隨著硫化錳最大尺寸的增加,42CrMo鋼的 沖擊韌性降低。在一定范圍內(nèi),提高錳含量可削弱 硫?qū)_擊 韌 性 的 不 利 影 響,同 時(shí) 錳 可 脫 氧 以 清 除 FeO,從而降低鋼的脆性[9]。王明禮等[10]對(duì)比研究 了42CrMo鋼韓國(guó)鍛件和國(guó)產(chǎn)鍛件的低溫沖擊性 能,發(fā)現(xiàn)在相同調(diào)質(zhì)工藝下,韓國(guó)鍛件的-20 ℃沖 擊功比國(guó)產(chǎn)鍛件的高20J,-40 ℃沖擊功比國(guó)產(chǎn)鍛 件的高30J;進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)韓國(guó)鍛件的硫、磷含量 較低,錳含量較高,鉻含量偏低,同時(shí)韓國(guó)鍛件中的 非金屬夾雜物較細(xì)小,含量較低且分布均勻。硫在固態(tài)下以 FeS形式存在于鋼中,會(huì)割裂金屬基體的 連續(xù)性,從而導(dǎo)致鋼的低溫沖擊性能變差[11]。磷在 結(jié)晶過程中易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析,導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度升 高而發(fā)生冷脆,因此應(yīng)盡可能降低磷元素含量。
2.2.2 微合金化元素
SCM440鋼中雖然含有一定量的硅,但實(shí)際生 產(chǎn)過程中仍然需要用鋁來(lái)脫氧,剩余鋁元素會(huì)與鋼 中氮元素結(jié)合形成細(xì)小彌散的 AlN 質(zhì)點(diǎn),可以在后 續(xù)熱處理中起到防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。陳先 毅[12]研究了鋁含量對(duì)42CrMo鋼鍛件沖擊功的影 響,發(fā)現(xiàn)鋁含量較高鍛件的晶粒尺寸較小,但沖擊功 較低,這是因?yàn)殇X元素在42CrMo鋼鍛件中形成的 AlN、Al2O3 顆粒對(duì)低溫沖擊功的不利影響超過了 其細(xì)化晶粒提高沖擊功的作用。對(duì) ML40Cr鋼熱 軋盤條進(jìn)行860 ℃×1.5h水冷熱處理后,發(fā)現(xiàn)添加 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.026%鋁的 ML40Cr鋼中奧氏體晶粒尺 寸為15.8μm,小于未添加鋁的(28.7μm);添加質(zhì) 量分?jǐn)?shù)0.026%鋁和不添加鋁的 ML40Cr鋼的室溫 到-50 ℃ 沖 擊 功 變 化 趨 勢(shì) 一 致,且 含 質(zhì) 量 分 數(shù) 0.026%鋁的 ML40Cr鋼的沖擊功比不添加鋁的高 20J左右,這主要是由于晶粒細(xì)化使得晶界前塞積 的位錯(cuò)減少,有利于降低應(yīng)力集中,同時(shí)可降低磷等 雜質(zhì)元素在晶界的偏聚程度[13]。齊建軍等[14]研究 了鋁含量、氮含量和鋁氮質(zhì)量比對(duì)轎車用20MnCr5 滲碳鋼晶粒度和混晶的影響,發(fā)現(xiàn):鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低 于0.020%時(shí),氮含量偏低是導(dǎo)致其在滲碳溫度產(chǎn) 生混晶的主要原因;當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.025% 且鋁氮質(zhì)量比不小于3時(shí),20MnCr5鋼經(jīng)930 ℃保 溫6h熱處理后不出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。作為調(diào)質(zhì)態(tài)下使 用的產(chǎn)品,上 述 研 究 結(jié) 果 同 樣 適 用 于 風(fēng) 電 螺 栓 用 SCM440鋼,作者對(duì)經(jīng)過轉(zhuǎn)爐→鋼包精煉爐(LF)精 煉→大方坯連鑄工藝生產(chǎn)的 SCM440鋼熱軋盤條 進(jìn) 行 氮 含 量 測(cè) 試,得 到 氮 平 均 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.0045%,氮含量相對(duì)偏低,此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加鋁含 量,增加鋁氮質(zhì)量比,以減弱晶粒長(zhǎng)大傾向。
微合金化元素鈮、鈦、硼對(duì)42CrMo鋼的組織和 低溫沖擊性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。吳鎮(zhèn)宇等[15] 研究發(fā)現(xiàn):鈮鈦復(fù)合微合金化可細(xì)化42CrMo鋼奧 氏體晶粒,當(dāng)沖擊試驗(yàn)溫度較低時(shí),鋼的沖擊吸收能 量及纖維斷面率均明顯提高,即鈮鈦復(fù)合微合金化 可以改善鋼的低溫沖擊性能;但是該鋼較高的強(qiáng)度 和較高的硫含量使得這種改善效果有所減弱。鐘浩 等[16]研究發(fā)現(xiàn):加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0015%的硼可以顯著提高SCM440鋼的低溫沖擊韌性,且在相同調(diào) 質(zhì)處理?xiàng)l件下該鋼具有更高的硬度,這是由于微量 硼在鋼中起到了晶粒細(xì)化和晶界強(qiáng)化作用;但是由 于硼活性極高,在鋼中極易形成氧化硼、氮化硼等, 這些硼的析出相降低了有效硼含量,削弱了有效硼 偏聚于晶界而起到的晶界強(qiáng)化作用,同時(shí)也降低了 AlN 細(xì)小質(zhì)點(diǎn)數(shù)量,削弱了 AlN 的細(xì)晶強(qiáng)化作用, 而該研究中并未對(duì)此進(jìn)行深入分析。斯庭智等[17] 研究發(fā)現(xiàn):硼鈦復(fù)合微合金化可以細(xì)化42CrMo鋼 組織,提高鋼的回火穩(wěn)定性,從而顯著提高鋼的強(qiáng)度 與硬度;當(dāng)鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.045%時(shí),42CrMo鋼 的強(qiáng)度提高程度不顯著,且其強(qiáng)度的提高主要來(lái)自 于細(xì)晶強(qiáng)化作用;當(dāng)鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.045%~0.095% 時(shí),強(qiáng)度提高顯著,且其強(qiáng)度的提高主要來(lái)自于 TiC 的 沉 淀 強(qiáng) 化 作 用;硼 鈦 復(fù) 合 微 合 金 化 提 高 了 42CrMo鋼的塑性和韌性,這主要是由于硼在晶界 替代磷、硫析出而減輕了磷、硫的有害作用;但是,鈦 微合金化會(huì)增加鋼中 TiN 非金屬夾雜物的數(shù)量,對(duì) 鋼的沖擊韌性不利,而上述研究并未對(duì)此進(jìn)行分析。
2.3 原始組織
奧氏體在鋼中的形成方式與奧氏體化前的原始 組織密切相關(guān)。在鋼的化學(xué)成分相同時(shí),原始組織中 珠光體越細(xì)、滲碳體片間距越小,奧氏體的形成速率 越快[18]。對(duì)于具有馬氏體組織的碳鋼,在加熱到奧 氏體 化 溫 度 過 程 中,奧 氏 體 快 速 形 成,例 如 將 AISI4340鋼薄試樣在鉛浴中快速加熱至790~870℃ 時(shí),只需2s奧氏體即可形成[19],且由這種奧氏體形 成的馬氏體硬度和強(qiáng)度均較高。王利軍等[20]研究 發(fā)現(xiàn),與球化退火組織熱軋態(tài) SCM435 鋼相比,組 織為貝氏體+鐵素體+珠光體的熱軋態(tài)鋼經(jīng)相同調(diào) 質(zhì)處理后具有更高的硬度和低溫沖擊吸收能量。軋 制工藝對(duì)風(fēng)電螺栓用冷鐓鋼熱軋盤條組織和性能有 明顯影響。與低溫軋制 B7鋼相比,高溫軋制 B7鋼 的奧氏體晶粒粗大,室溫組織均勻性差,經(jīng)相同工藝 調(diào)質(zhì)處理后,鋼的低溫沖擊性能偏低,沖擊吸收能量 波動(dòng)較大[21]。在生產(chǎn)SCM440鋼風(fēng)電螺栓時(shí),相比 粗大球狀碳化物組織,具有細(xì)粒狀碳化物退火態(tài)鋼 經(jīng)過后續(xù)調(diào)質(zhì)處理后具有更高的沖擊功。上述研究 均表明,原始組織會(huì)對(duì)冷鐓鋼調(diào)質(zhì)處理后的組織產(chǎn) 生影響,最終影響產(chǎn)品的低溫沖擊性能。
2.4 調(diào)質(zhì)前加工處理工藝
奧氏體晶粒越細(xì)小,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后鋼的強(qiáng)度越 高,塑性和沖擊韌性越好[22]。TAKESHI等[23]研究發(fā)現(xiàn),與冷拔加工熱軋態(tài) SCM420 鋼相比,冷拔加 工球化退火態(tài) SCM420鋼在后續(xù)淬火時(shí)的奧氏體 晶粒更容易長(zhǎng)大而出現(xiàn)混晶現(xiàn)象,這與不同處理方 式影響 AlN 析出相粒徑和分布狀態(tài)有關(guān)。因此,可 通過熱處理改變 AlN 析出相的粒徑和分布狀態(tài),從 而消 除 奧 氏 體 混 晶 現(xiàn) 象。 與 SCM420 鋼 相 比, SCM440鋼除了含有更多的碳外,其他元素含量標(biāo) 準(zhǔn)范圍相同,因此推測(cè)在上述加工條件下,SCM440 鋼經(jīng)淬火時(shí)其奧氏體也會(huì)出現(xiàn)與 SCM420鋼相同 的現(xiàn)象。席志偉等[24]研究發(fā)現(xiàn):采用不同預(yù)備熱處 理工藝時(shí),亞溫淬火-回火處理后42CrMo鋼的硬度 差別很小,但沖擊性能均高于常規(guī)調(diào)質(zhì)處理后的;預(yù) 備熱處理為退火處理時(shí),亞溫處理后殘留的鐵素體 粗大,且不均勻分布在回火索氏體之間;預(yù)備熱處理 為淬火處理和調(diào)質(zhì)處理時(shí),殘留的鐵素體形態(tài)細(xì)小, 且均勻分布在回火索氏體之間,亞溫處理后的沖擊 功 最 大。 徐 尚 呈 等[25] 研 究 發(fā) 現(xiàn),當(dāng) 滲 碳 軸 承 鋼 SAE4320出現(xiàn)奧氏體混晶時(shí),經(jīng)740~760 ℃保溫 2h空冷處理后奧氏體晶粒度可達(dá)7.0~8.0級(jí),原 奧氏體混晶現(xiàn)象消除。因此,當(dāng) SCM440鋼組織中 出現(xiàn)奧氏體混晶時(shí),可采用合適的熱處理工藝以消 除混晶。
2.5 調(diào)質(zhì)處理工藝
2.5.1 淬火溫度
淬火溫度對(duì)鋼的組織有重要影響。如果淬火溫 度偏低,則冷卻后組織中會(huì)保留部分先共析鐵素體, 這對(duì)提高材料沖擊性能有利[24,26],但淬火后鋼中會(huì) 出現(xiàn)淬火軟點(diǎn),這種組織的不均勻性可能會(huì)影響回 火后的力學(xué)性能。但是淬火溫度過高易引起奧氏體 晶粒粗化,淬火后得到粗大馬氏體,導(dǎo)致鋼的脆性增 大,低溫沖擊性能降低。馬躍新等[27]研究發(fā)現(xiàn):原 始非平衡組織的類型基本不會(huì)影響30CrMnSiA 鋼 亞溫淬火的效果;對(duì)非平衡組織鋼進(jìn)行亞溫淬火后, 與常規(guī)調(diào)質(zhì)處理后的相比,其強(qiáng)度和硬度基本不變, 但沖擊功提高一倍左右,塑性也大幅提高;亞溫淬火 能夠明顯抑制鋼的可逆回火脆性。王明禮等[28]研 究發(fā)現(xiàn),在同一回火溫度(630 ℃)下,當(dāng)淬火溫度為 800~840 ℃時(shí),42CrMo鋼的低溫沖擊功隨著淬火 溫度的升高而增加,而當(dāng)淬火溫度超過840℃時(shí),沖 擊功降低,這是因?yàn)殡S著淬火溫度的升高,溶解于奧 氏體中的鐵素體增多,淬火后馬氏體增多,回火后得 到的回火索氏體增多,未溶鐵素體較少,因此鋼的沖 擊功增加,但是當(dāng)淬火溫度超過840℃時(shí),原始組織中的鐵素體已經(jīng)全部溶解,若再提高淬火溫度,將使 奧氏體的晶粒粗大,造成淬火后的馬氏體粗大,致使 回火后得 到 粗 大 的 回 火 索 氏 體,最 終 導(dǎo) 致 沖 擊 功 降低。
2.5.2 淬火后冷處理
淬火后冷處理可降低鋼中殘余奧氏體的含量, 并使鋼中析出細(xì)小碳化物,從而提高鋼的硬度、耐磨 性并延長(zhǎng)其使用壽命。葛凱晨等[29]對(duì)經(jīng)860 ℃奧 氏 體 化 后 的 42CrMo 鋼 和 40CrNiMo 鋼 進(jìn) 行 -70 ℃×1h冷處理,然后在不同溫度保溫2h進(jìn) 行回火處理,發(fā)現(xiàn)冷處理不能明顯改善鋼的顯微組 織或提高鋼的常溫力學(xué)性能,但能顯著提高鋼的低 溫(-40 ℃)沖擊功,且隨回火溫度的升高,低溫沖 擊功提高的幅度增大。張海東等[30]研究發(fā)現(xiàn),相比 于常規(guī)熱處理,42CrMo鋼經(jīng)淺冷處理(-80 ℃× 12h)和深冷處理(-196 ℃×12h)后硬度略微下 降,沖擊功有所增大,并且試樣經(jīng)深冷處理后的沖擊 功增大程度高于淺冷處理后的。
2.5.3 回火處理
一般情況下,隨著回火溫度的升高,鋼的強(qiáng)度、 硬度降低,塑性、韌性增加。但對(duì)于一些結(jié)構(gòu)鋼,隨 著回火溫度的升高,鋼的沖擊韌性并非連續(xù)提高,而 是在某些回火溫度區(qū)間出現(xiàn)顯著下降的現(xiàn)象,這種 現(xiàn)象稱為鋼的回火脆性。用 SCM440 鋼生產(chǎn) 10.9 級(jí)風(fēng)電螺栓時(shí),其回火溫度處于第二類回火脆性溫 度范圍,通常采用降低鋼中雜質(zhì)元素含量、加入適量 鉬或鎢抑制雜質(zhì)元素向晶界偏聚、加入鈮釩鈦等細(xì) 化奧氏體晶粒元素、回火保溫后采取快速冷卻方式 等措施,防止或減輕第二類回火脆性。陳俊丹等[31] 研究發(fā)現(xiàn):42CrMo鋼經(jīng)850 ℃×4h水淬+500~ 650℃回火水冷后,其-12 ℃沖擊功隨回火溫度的 升高先增大后減小,600 ℃回火后的沖擊功最大,為 104J;碳化物的形貌和分布是影響42CrMo鋼低溫 沖 擊 性 能 的 關(guān) 鍵 因 素。 楊 敏 等[32] 研 究 發(fā) 現(xiàn), 42CrMo鋼經(jīng)淬火及550~650 ℃回火處理后,隨著 回火溫度的升高,碳化物形貌由片狀向片粒狀轉(zhuǎn)變, 屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度降低,而沖擊功升高,并未出現(xiàn) 文獻(xiàn)[31]中在600℃回火溫度下達(dá)到峰值后隨著回 火溫度升高而降低的現(xiàn)象。
與傳統(tǒng)加熱方式相比,感應(yīng)加熱方式具有節(jié)約 能源、加熱速率快、溫度控制準(zhǔn)確、生產(chǎn)效率高、表面 氧化層少、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。余偉等[33]對(duì)比研究了淬 火+緩慢加熱回火的傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理與淬火+感應(yīng)加熱回火的新調(diào)質(zhì)處理工藝對(duì)高強(qiáng)度鋼組織和性能的 影響,發(fā)現(xiàn):兩種工藝下鋼的顯微組織均主要為板條 寬300~500nm 的馬氏體,但淬火+感應(yīng)加熱回火 調(diào)質(zhì)處理后,板條組織更明顯,且組織中存在尺寸約 20nm 的析出物,比傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理后的細(xì)小;淬火+ 感應(yīng)加熱至500℃回火后試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率大于 16%,-40 ℃沖擊功達(dá)到32J,優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理 后的,這是由淬火+感應(yīng)加熱回火后組織中存在更 多小尺 寸 析 出 物 和 殘 余 奧 氏 體 導(dǎo) 致 的。 林 君 泓 等[34]也得到相似結(jié)論,即:42CrMoA 鋼制 M36 風(fēng) 電螺栓經(jīng)中頻感應(yīng)與網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)后,強(qiáng)度和硬度基 本相當(dāng);與網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)處理后的風(fēng)電螺栓相比,中頻 感應(yīng)調(diào)質(zhì)處理后組織更均勻、細(xì)小,塑韌性更好,斷 面收縮率、斷后伸長(zhǎng)率和低溫(-40 ℃)沖擊功分別 提高了24.39%,8.82%及81.22%。
2.5.4 調(diào)質(zhì)處理次數(shù)
調(diào)質(zhì)處理的主要目的是調(diào)整組織,減少碳化物, 獲得索氏體組織或索氏體和均勻分布的粒狀碳化物 組織。多次調(diào)質(zhì)處理有利于得到微細(xì)的等軸晶粒。 42CrMo鋼經(jīng)過二次調(diào)質(zhì)處理后,殘余奧氏體含量 減少,晶粒細(xì)化,低溫沖擊功、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均 明顯提高;經(jīng)過三次、四次調(diào)質(zhì)處理后,低溫沖擊功、 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯變化,殘余奧氏體基本消 失,晶粒進(jìn)一步細(xì)化[35]。
3 熱軋盤條生產(chǎn)10.9級(jí)大規(guī)格風(fēng)電螺栓現(xiàn)狀
隨著盤條生產(chǎn)技術(shù)的提升以及冷鐓工藝裝備的 發(fā)展,越來(lái)越多的熱(溫)鍛棒材被熱軋盤條替代,但 是在產(chǎn)品替代過程中,發(fā)現(xiàn)在同等熱處理?xiàng)l件下,與 用熱(溫)鍛棒材生產(chǎn)的螺栓相比,用熱軋盤條生產(chǎn) 的風(fēng)電螺栓的強(qiáng)度、硬度基本不變,但-45 ℃的 V 型缺口沖擊功降低了5~10J,且用熱軋盤條生產(chǎn)的 螺栓甚至出現(xiàn)低溫沖擊性能不合格現(xiàn)象,需要進(jìn)行 二次調(diào)質(zhì)處理才能滿足低溫沖擊韌性要求,這增加 了產(chǎn)品生產(chǎn)成本,降低了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
用于 生 產(chǎn) 10.9 級(jí) 風(fēng) 電 螺 栓 的 ?30 mm 和 ?36mmSCM440鋼熱軋盤條采用加勒特大盤卷方 式生產(chǎn),在生產(chǎn)過程中吐絲后的盤條采用集卷冷卻 方式,冷卻速率較低。SCM440鋼中含有較高的碳 和合金元素,其熱軋盤條組織為鐵素體、珠光體和貝 氏體的混合組織;而在采用集卷冷卻方式時(shí),很難做 到盤卷各部位冷卻速率一致,因此盤條組織一致性 難以得到保證。采用冷鐓工藝生產(chǎn)風(fēng)電螺栓前,必須對(duì)SCM440鋼熱軋盤條進(jìn)行球化退火處理,以保 證冷鐓原料的塑性變形能力。不同原始組織影響著 中碳鋼及中碳合金鋼退火組織的演變過程。馬氏 體、貝氏體原始組織經(jīng)球化處理后可獲得分布均勻 的球化物;粗片狀珠光體原始組織的球化速率較慢, 且由于原多邊形鐵素體的存在,整體碳化物分散度 偏低[36]。原始組織為球化退火組織的鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處 理時(shí),奧氏體首先在碳化物與鐵素體的界面處形成, 隨后其形成取決于碳化物溶解時(shí)碳通過奧氏體的擴(kuò) 散速率,這造成奧氏體的形成速率較低,從而導(dǎo)致奧 氏體成分均勻性較差,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后不同區(qū)域碳化 物析出數(shù)量、形貌存在差異,最終影響成品的低溫沖 擊性能。在螺栓熱(溫)鍛成型時(shí)采用的熱(溫)鍛溫 度較低,較低的鍛造溫度有利于抑制奧氏體晶粒長(zhǎng) 大,從而獲得細(xì)小組織。經(jīng)熱(溫)鍛后的 SCM440 鋼螺栓毛坯采用空冷冷卻方式,相當(dāng)于在調(diào)質(zhì)處理 前對(duì)螺栓進(jìn)行了一次正火處理。正火處理可增加 42CrMo鋼調(diào)質(zhì)處理后的組織均勻性,減少心部區(qū) 域晶粒 粗 大 的 鐵 素 體 數(shù) 量,從 而 提 高 平 均 沖 擊 功[37]。因此,采用熱(溫)鍛熱軋棒材工藝生產(chǎn)的風(fēng) 電螺栓的低溫沖擊性能優(yōu)于采用冷鐓熱軋盤條工藝 生產(chǎn)的。
4 結(jié)束語(yǔ)
廣闊的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)促進(jìn)了風(fēng)電技術(shù)和裝備的 發(fā)展。風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓作為連接結(jié)構(gòu)中的重要零 部件,應(yīng)具有良好的低溫沖擊性能。影響高強(qiáng)度風(fēng) 電螺栓低溫沖擊性能的因素主要包括晶體結(jié)構(gòu)、化 學(xué)成分、調(diào)質(zhì)前原始組織、調(diào)質(zhì)前的加工工藝、調(diào)質(zhì) 處理工藝等。為提高10.9級(jí) M36風(fēng)電螺栓的低溫 沖擊性能,應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)熱軋盤條及其加工 工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。
(1)降低有害雜質(zhì)元素含量,硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)一 般控制0.015%以下;可采用鈮鈦復(fù)合微合金化來(lái) 提高SCM440鋼的低溫沖擊性能,但會(huì)造成生產(chǎn)成 本增加;采 用 轉(zhuǎn) 爐 →LF 精 煉 → 連 鑄 工 藝 生 產(chǎn) 的 SCM440鋼中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不低于0.015%,以防止 淬火時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大,從而提高風(fēng)電螺栓的低溫 沖擊性能。
(2)應(yīng)降低SCM440鋼中大顆粒非金屬夾雜物 的尺寸及數(shù)量,以提高鋼的低溫沖擊性能。
(3)SCM440鋼熱軋盤條組織宜控制為以粒狀 貝氏體為主,且組織應(yīng)具有較好的均勻性。
(4)應(yīng)盡可能使SCM440鋼球化退火后獲得細(xì) 小球狀滲碳體組織,以保證淬火時(shí)組織充分奧氏體 化以及淬火后組織的一致性。
(5)在保證奧氏體化前提下,在淬火時(shí)應(yīng)嚴(yán)格 控制淬火溫度和保溫時(shí)間,以防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大 而出現(xiàn)混晶,最終影響鋼的低溫沖擊性能。
參考文獻(xiàn):
[1] 林曉龍.高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度優(yōu)化[D].沈 陽(yáng):東北大學(xué),2012. LINXL.Stressanalysisofhighstrengthboltandstructure fatiguestrengthimprovement[D].Shenyang:Northeastern University,2012.
[2] 張先鳴.風(fēng)電機(jī)組緊固件的要求及制造工藝[J].緊固件技術(shù), 2012(3):54-56. ZHANG X M.Requirementsand manufacturingprocessof fastenersforwindturbineunit[J].FastenerTechnology,2012 (3):54-56.
[3] 顧青麗,張先鳴.緊固件線材棒料在風(fēng) 電 高 強(qiáng) 螺 栓 中 的 應(yīng) 用 [J].金屬加工(熱加工),2010(5):37-39. GU Q L,ZHANG X M.Applicationoffastenerwirerodin windpowerhigh strength bolt[J]. Metal Working (Hot Working),2010(5):37-39.
[4] 張先鳴.風(fēng)電材 料 與 緊 固 件 沖 擊 試 驗(yàn) [J].電 氣 制 造,2011 (11):66-67. ZHANG X M.Impacttestof wind power materialsand fasteners[J].ElectricalManufacturing,2011(11):66-67.
[5] 鐘盛鋼,張先鳴.風(fēng)電用與鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度緊固件的差異[J]. 金屬制品,2009,35(6):62-65. ZHONGS G,ZHANG X M.Differencesofhighstrength fastenerbetweenforwindpowerandsteelstructure[J].Metal Products,2009,35(6):62-65.
[6] 梁耀能.機(jī)械工程材料[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002: 12-20. LIANG Y N. Mechanical engineering materials [M ]. Guangzhou:South China University of Technology Press, 2002:12-20.
[7] 張偉強(qiáng),郭金.42CrMo 鋼在不同溫度下單向拉伸的流變特征 [J].金屬熱處理,2012,37(7):94-97. ZHANG W Q,GUOJ.Flowcharacteristicsof42CrMosteel onunidirectionaltensionatdifferenttemperatures[J].Heat TreatmentofMetals,2012,37(7):94-97.
[8] 李靜媛,魏成富,孫維禮,等.42CrMo鋼中夾雜物對(duì)性能的影 響[J].兵器材料科學(xué)與工程,1992,15(1):40-44. LIJY,WEICF,SUN W L,etal.Effectofinclusionson propertiesof42CrMosteel[J].OrdnanceMaterialScienceand Engineering,1992,15(1):40-44.
[9] 張永權(quán),劉天軍,楊才福,等.硅錳含量對(duì)10CrSiNiCu鋼低溫韌 性的影響[J].特殊鋼,1997,18(6):24-27. ZHANGY Q,LIU TJ,YANGCF,etal.EffectofSi,Mn contentonlow-temperaturetoughnessofsteel10CrSiNiCu [J].SpecialSteel,1997,18(6):24-27.
[10] 王明禮,王建,王麗霞,等.42CrMo鋼冶金質(zhì)量和顯微組織對(duì) 低溫沖擊功的影響[J].軸承,2009(12):37-39. WANG M L, WANG J, WANG L X,etal.Effectof metallurgicalqualityand microstructureof42CrMosteelon lowtemperatureimpactenergy[J].Bearing,2009(12):37- 39.
[11] 李靜媛,高惠俐.夾雜物對(duì)超高強(qiáng)度鋼韌性的影響[J].兵器材 料科學(xué)與工程,1990,13(11):12-19. LIJY,GAO HL.Effectofinclusionsontoughnessofultra highstrength steel [J].Ordnance Material Science and Engineering,1990,13(11):12-19.
[12] 陳先毅.Al含量對(duì)42CrMo鍛件沖擊吸收功的影響[J].大型 鑄鍛件,2016(5):10-11. CHEN X Y.Influence of aluminum content on impact absorbingenergyof42CrMoforgings[J].HeavyCastingand Forging,2016(5):10-11.
[13] 沈奎,廖舒綸,麻晗,等.鋁含量對(duì)冷鐓鋼性能的影響[J].熱加 工工藝,2016,45(18):95-97. SHEN K,LIAOSL,MA H,etal.EffectofAlcontenton properties of cold heading steel [J]. Hot Working Technology,2016,45(18):95-97.
[14] 齊建軍,李紹杰.鋁氮比對(duì)轎車用滲碳鋼晶?；炀У挠绊慬J]. 河北冶金,2015(2):1-4. QIJJ,LISJ.Influenceofaluminum-nitrogenrateonmixed grainstructureof20MnCr5carburizingsteelforcar[J]. HebeiMetallurgy,2015(2):1-4.
[15] 吳鎮(zhèn)宇,袁守謙,惠衛(wèi)軍.鈮鈦復(fù)合微合金化42CrMo鋼低溫 韌性[J].金屬熱處理,2013,38(3):43-46. WU Z Y, YUAN S Q, HUI W J.Low temperature toughnessof Nb-Ti microalloyed42CrMosteel[J].Heat TreatmentofMetals,2013,38(3):43-46.
[16] 鐘浩,李站衛(wèi),李文英,等.微合金化對(duì)合金冷鐓鋼 SCM440 抗低溫沖擊性能的影響[C]//2014年全國(guó)軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議 文集.無(wú)錫:中國(guó)金屬學(xué)會(huì),2014:981-984. ZHONG H,LIZ W,LIW Y,etal.Effectofmicroalloying onlow temperatureimpact resistance for SCM440 cold headingsteel [C]// Proceedings of2014 National Steel Rolling Production Technology Conference.Wuxi: China SocietyofMetals,2014:981-984.
[17] 斯庭智,吳宗雙,高亞磊,等.Ti、B 微合金化 42CrMo鋼的組 織與性能[J].金屬熱處理,2012,37(11):46-50. SIT Z,WU Z S,GAO Y L,etal.Microstructureand mechanicalpropertiesofthemicroalloyed42CrMosteelswith TiandB[J].HeatTreatmentofMetals,2012,37(11):46- 50.
[18] 馬鵬飛,李美蘭.熱 處 理 技 術(shù) [M].北 京:化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社, 2009:33-34. MAPF,LIM L.Heattreatmenttechnology[M].Beijing: ChemicalIndustryPress,2009:33-34.
[19] KRAUSSG.鋼的熱處理原理[M].李崇謨,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1987:165-166. KRAUSSG.Heattreatmentprincipleofsteel[M].LICM, Transl.Beijing:MetallurgicalIndustryPress,1987:165-166.
[20] 王利軍,呂彥新,阮士朋,等.初始組織對(duì) SCM435鋼調(diào)質(zhì)處 理后力學(xué)性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2019,40(6):117- 122. WANGLJ,Lü Y X,RUAN SP,etal.Effectofinitial microstructureon mechanicalproperties of SCM435 steel afterquenchingandtempering[J].TransactionsofMaterials andHeatTreatment,2019,40(6):117-122.
[21] 陳繼林,劉振民,劉超,等.軋制工藝對(duì)高強(qiáng)度螺栓鋼低溫沖擊 性能的影響[J].金屬熱處理,2017,42(1):94-98. CHENJL,LIUZM,LIUC,etal.Effectofrollingprocess onlowtemperatureimpactpropertiesofhighstrengthbolt steel[J].HeatTreatmentofMetals,2017,42(1):94-98.
[22] 宋維錫.金屬學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008:388-390. SONG W X. Metallurgy [M ]. Beijing: Metallurgical IndustryPress,2008:388-390.
[23] TAKESHIT,TAKAYO C,TOSHIOS.Influenceofheat treatmentsongraincoarseningofausteniteincold worked steels[J].SanyoTechnicalReport,1995,2(1):28-34.
[24] 席志偉,羅紅梅,孫國(guó)棟.預(yù)備熱處理對(duì) A-F 區(qū)亞溫淬火-回 火的42CrMo鋼 組 織 和 性 能 的 影 響 [J].特 殊 鋼,2019,40 (4):43-47. XIZ W,LUO H M,SUN G D.Effectofconditioningheat treatmentonstructureandpropertiesofqunchedfrom A-F dualphaserange-tempered42CrMosteel[J].SpecialSteel, 2019,40(4):43-47.
[25] 徐尚呈,周立新,張志成,等.熱處理工藝對(duì) SAE4320鋼奧氏 體晶粒度的影響[J].金屬熱處理,2014,39(11):111-113. XUSC,ZHOU L X,ZHANG ZC,etal.Effectofheat treatmentonaustenitegrainsizeofSAE4320steel[J].Heat TreatmentofMetals,2014,39(11):111-113.
[26] 鄭馨秋,姚建柱.亞溫淬火工藝對(duì)42CrMo4鋼沖擊韌度的影 響[J].金屬加工(熱加工),2015(5):84-85. ZHENG X Q, YAO J Z. Effect of sub temperature quenchingprocessonimpacttoughnessof42CrMo4steel[J]. MetalWorking(HotWorking),2015(5):84-85.
[27] 馬躍新,周子年.30CrMnSiA 鋼亞溫淬火工藝研究[J].熱加 工工藝,2009,38(8):151-153. MA Y X,ZHOU Z N. Research on sub-temperature quenchingprocessof30CrMnSiA steel[J].Hot Working Technology,2009,38(8):151-153.
[28] 王明禮,王麗霞,陳翠麗.風(fēng)電軸承用42CrMo鋼調(diào)質(zhì)工藝參 數(shù)的優(yōu)化[J].軸承,2012(2):15-17. WANG M L,WANG L X,CHEN C L.Optimizationof quenchingandtemperingprocessparametersof42CrMosteel forwindturbinebearing[J].Bearing,2012(2):15-17.
[29] 葛凱晨,盧軍,馬佳明,等.冷處理對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能的影 響[J].熱加工工藝,2010,39(16):149-151. GE K C,LU J,MA J M,etal.Influenceofcryogenic treatmenton mechanicalpropertiesofalloystructuresteel [J].HotWorkingTechnology,2010,39(16):149-151.
[30] 張海東,閆獻(xiàn)國(guó),陳峙,等.淺 冷 處 理 和 深 冷 處 理 對(duì) 42CrMo 鋼硬度和沖擊韌性的影響[J].熱加 工 工 藝,2020,49(22): 121-124. ZHANGHD,YANXG,CHENZ,etal.Effectsofshallow and deep cryogenic treatment on hardness and impact toughnessof42CrMosteel[J].Hot Working Technology, 2020,49(22):121-124.
[31] 陳俊丹,莫文林,王培,等.回火溫度對(duì)42CrMo鋼沖擊韌性的 影響[J].金屬學(xué)報(bào),2012,48(10):1186-1193. CHENJD,MO W L,WANGP,etal.Effectsoftempering temperatureontheimpacttoughnessofsteel42CrMo[J]. ActaMetallurgicaSinica,2012,48(10):1186-1193.
[32] 楊敏,崔冕,李占陽(yáng),等.回火溫度對(duì)42CrMo鋼金相組織及 力學(xué)性能的影響[J].現(xiàn)代冶金,2019,47(1):4-5. YANG M,CUI M,LIZ Y,etal.Effectoftempering temperatureon microstructureand mechanicalpropertiesof 42CrMosteel[J].ModernMetallurgy,2019,47(1):4-5.
[33] 余偉,徐立善,陳銀莉,等.回火方式對(duì)調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼組織和 性能的影響[J].材料科學(xué)與工藝,2012,20(1):103-107. YU W,XULS,CHENYL,etal.Effectoftempermethod onmicrostructureandpropertiesofquenched-temperedhigh strengthsteel[J].MaterialsScience & Technology,2012, 20(1):103-107.
[34] 林君泓,貝良輝,黃樹舟,等.M36風(fēng)電螺栓中頻感應(yīng)與網(wǎng)帶 爐調(diào)質(zhì)對(duì)比研究[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào),2020,32(4):25-28. LINJH,BEIL H,HUANG SZ,etal.A Comparative studyofmediumfrequencyinductionofM36windpowerbolt andtemperingofmeshbeltfurnace[J].JournalofNingbo UniversityofTechnology,2020,32(4):25-28.
[35] 徐鋼新,陳亮,李勃,等.多次調(diào)質(zhì)對(duì)42CrMo鋼組織和力學(xué)性 能的影響[J].金屬熱處理,2014,39(5):112-114. XU G X,CHEN L,LI B,etal.Influenceofrepeated quenchingandtemperingon microstructureand mechanical propertiesof42CrMosteel[J].HeatTreatmentofMetals, 2014,39(5):112-114.
[36] 王利軍,陳繼林,翟進(jìn)坡,等.初始組織形態(tài)對(duì)中碳及中碳合金 鋼退火組織演變的影響[J].金屬熱 處 理,2016,41(11):30- 34. WANGLJ,CHENJL,ZHAIJP,etal.Effectofinitial microstructureonmicrostructureevolutionofmediumcarbon andmedium carbonalloysteelsduringannealing[J].Heat TreatmentofMetals,2016,41(11):30-34.
[37] 李康麗,李永志,孫國(guó)棟.正火預(yù)熱處理對(duì)42CrMo曲軸鋼調(diào) 質(zhì)后的組織與性能影響[J].特殊鋼,2020,41(4):26-29. LIK L,LIYZ,SUN G D.Effectofnormalizingpreheat treatmenton structureand propertiesof42CrMoforging crankshaftsteelafterquenchingandtemperingtreatment[J]. SpecialSteel,2020,41(4):26-29.