一种大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条及其制备方法与流程

本发明属于冷镦钢热轧线材领域，涉及一种大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条及其制备方法。

背景技术：

紧固件作为各行业最基础的零部件，在工作时除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，还会受到附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用。而风电螺栓除上述受力条件外，还随主机一起常年经受酷暑严寒和极端温差、盐雾腐蚀等的侵蚀和考验。因此，在保证风电螺栓具有足够的强度和塑性外，还要求有足够的低温冲击韧性。

目前，国内高强度风电螺栓大部分选择10.9级，一般情况下高强度风电螺栓采用碳含量为0.30%～0.55%的中碳合金结构钢制造；对于≥m30螺栓一般选用35crmo、42crmo、b7、scm440、40crnimoa钢，少量产品也允许使用30crmnsia钢。10.9级高强度风电螺栓，其硬度值33～39hrc，抗拉强度rm≥1040mpa，断后伸长率a≥9%，断面收缩率z≥48%，低温冲击吸收能量（-40℃）kv2≥27j。

采用热轧盘条生产风电螺栓时，冷镦前需要进行拉拔和退火处理，以满足螺栓尺寸精度和冷镦变形能力要求，冷镦成型后进行调质处理，以达到10.9级风电螺栓的力学性能要求。然而在实际生产时，常出现因原料化学成分、偏析或热处理工艺或化学成分与热处理工艺搭配设计不当，造成螺栓热处理后低温冲击功不满足要求，需要进行二次热处理来改善产品的低温冲击韧性。为解决上述问题，发明了一种φ30～42mm的大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条，用于生产10.9级高强度风电螺栓，该产品具有良好的低温冲击韧性。

授权公告号为cn103952633b公开了《具有良好低温冲击韧性的高强度钢盘条及其生产方法》，其采用较低加热温度，降低原始奥氏体晶粒，避免混晶；另外，在低的进精轧温度及冷却初始温度下，控制材料在奥氏体未再结晶区精轧，弥散析出、细化晶粒，通过降低韧脆转变温度实现低温冲击韧性的提高。其采用较低的进精轧温度在实际生产时存在轧机负荷过载问题。

申请公布号为cn110643881a公开了《一种大规格风电紧固件用钢及其制造方法》，通过优化合金元素成分设计，解决大规格风电螺栓热处理后的性能波动，同时利用优化的淬透性计算方法确定发明中c、mn、si、mo、cr、ni元素的含量，保证j25处的淬透性，实现淬透性带宽小于3hrc，满足48-65mm的大规格风电紧固件对材料的性能要求。该产品加入了ni和nb贵重合金元素，且产品为棒材，与热轧盘条的制造方法不同。

申请公布号为cn107299278a公开了《一种耐超低温冲击风电高强螺栓用钢制造方法》，该发明产品含有1.73%的ni，采用转炉双渣操作及lf钢包精炼高碱度渣系，实现低p、s控制；采用vd真空脱气和全程氩气保护浇铸，对o、n、h等杂质含量进行控制，减少钢中非金属夹杂物数量，促进微细分散化，改善钢的低温韧脆转变温度；连铸采用电磁搅拌技术改善钢材致密度和成分偏析。

授权公告号为cn103526004b公开了《一种保证低温紧固件冲击韧性的方法》，该发明原材料选择35crmoa和42crmoa，35crmoa化学成分满足gb/t3077的要求，42crmoa满足asme/astm标准a320l7的要求。淬火温度为810℃－870℃，淬火保温时间15－40分钟：用10#或20#机械油或用盐水溶液对紧固件双头螺柱进行冷却；回火温度590℃－670℃，保温时间90－120分钟，在室温下进行冷却；所述紧固件双头螺柱热处理后的洛氏硬度为：hrc26－30，其产品硬度不满足10.9级风电螺栓要求，且回火冷却采用是室温下冷却方式，不利于避免高温回火脆性。

申请公告号为cn110157980a公开了《一种具有优异低温冲击性能的钻杆接头用钢》，本发明的钻杆接头用钢通过添加nb元素，形成具有弥散且溶解温度很高的nbc碳化物来“钉扎”奥氏体晶界来细化奥氏体晶粒度，奥氏体晶粒度从原sae4137h的5级提高到7.5级以上，提高了材料低温冲击性能；通过添加ni元素增加材料的层错能来改材料的低温缺口敏感性，从而提高材料的低温冲击性能。采用这两项措施后，钻杆接头调质热处理后冲击akv(纵向，-20℃)可以达到90j以上，可以满足低温环境使用的钻杆接头设计要求。

现有发明，或通过低温轧制+低温吐丝控制实现晶粒细小控制，但部分轧钢设备存在低温轧制负荷过载问题；或通过添加贵重合金ni、nb，通过细晶控制和增加材料层错能，降低低温缺口敏感性等，但所研究产品要么是棒材要么是热处理性能不符合10.9级风电螺栓性能；或通过改变热处理工艺来提升钢的低温冲击性能，但所述紧固件双头螺柱热处理后的洛氏硬度为：hrc26－30，其产品硬度不满足10.9级风电螺栓要求，且回火后冷却为室温冷却方式，不利于避免高温回火脆性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条及其制备方法，该盘条用于生产10.9级高强度风电螺栓，具有良好的低温冲击韧性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：所述大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条化学成分及其重量百分含量为：c0.38～0.43%，si0.21-0.35%，mn0.80～1.00%，p≤0.020%，s≤0.010%，cr0.80～1.10%，mo0.15-0.25%，al0.020-0.050%，其余为fe和不可避免的杂质元素。

各元素的作用及配比依据如下：

c含量过低，如0.30%，淬火后硬度较低，同样生产10.9级紧固件时，回火时需要采用更低的回火温度，不利于提高材料的韧性；但若碳含量过高，如0.50%，则因碳含量增加带来的韧性损失较大，材料淬火后硬度过高，淬裂风险大，所以将c含量设计为0.38～0.43%。

mn具有较强的提高淬透性作用，且有利于使钢的调质组织均匀、细化，且在一定范围内提高mn含量有利于削弱s对冲击韧性的不利影，因此mn含量下限控制在0.80%，但当锰含量过高时，会加剧钢的偏析，使盘条纵向形成明显带状组织，恶化韧性，因此锰含量设计为0.80～1.00%；

si具有一定提高淬透性作用，但固溶强化效果较强，且硅过高不利于冷镦成型，因此不易加入过高含量si，其成分范围为0.21-0.35%。

cr在合金结构钢中起到提高淬透性作用，与碳形成各种碳化物，提高钢抗回火软化能力，但cr亦增加钢的回火脆性倾向，因此cr含量设计为0.80～1.10%。

mo在调质钢中，能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可在较高温度下回火；与cr、mn等并存，可降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性；mo元素为贵重合金，且在世界范围内的储量并不丰富，因此mo含量设计为0.15～0.25%。

al在钢中与n结合形成aln，可有效防止零件在淬火时奥氏体晶粒长大，但与n结合的al含量及分布受总al含量及冷加工、热处理影响，过低的al含量，在淬火加热时不能保证阻止晶粒长大，容易产生奥氏体混晶，过高的al含量，则容易引起大尺寸非金属夹杂物数量偏多，因此总al含量设计为0.020～0.050%。

杂质元素s、p偏聚在晶界会降低钢的韧性，应尽可能控制得低一些。

所述大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条的制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，所述控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以1.0～2.0℃/s冷却至550～570℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间25～40min。

吐丝后采用先风冷后缓冷的控冷方式，一方面可以抑制铁素体析出，使过冷奥氏体在粒状贝氏体转变区完成组织转变，还可抑制碳元素的偏析，得到较轻的带状组织，从而获得相对均匀的粒状贝氏体为主组织，这种组织容易进行球化退火，退火后得到分布均匀的球点状碳化物，从而在淬火加热时容易达到成分均匀，淬火后得到较高含量马氏体组织，回火后碳化物大小、形状一致，分布弥散，即通过优化控制盘条显微组织，来提高调质处理组织一致性，达到提升调质处理后的冲击韧性目的。

优选的，所述大方坯加热工序，钢坯加热至1230～1260℃，保温时间340～380min，加热炉残氧量0.5%～2.5%。

为了获得均匀的显微组织，结合钢种的高温热塑性，将加热温度设定为1230～1260℃，为保证化学成分均匀化效果，控制大方坯加热保温时间340～380min，同时为了避免脱碳层的增加，加热炉残氧量控制为0.5～2.5%。钢坯加热至1230～1260℃，保温时间340～380min，能够消除或减轻连铸坯的偏析，使热轧盘条获得相对均匀的粒状贝氏体为主的组织，这种组织容易进行球化退火，退火后得到分布均匀的球点状碳化物，从而在淬火加热时容易达到成分均匀，淬火后得到较高含量马氏体组织，回火后碳化物大小、形状一致，分布弥散。

优选的，所述热轧坯加热工序，钢坯加热至1100～1140℃，保温时间90～120min，加热炉残氧量1.0%～4.0%。

热轧坯加热工序的主要目的是为盘条的轧制做准备，由于本发明产品为大规格热轧盘条，为保证盘条表面质量，其加热温度不宜过低，否则因钢坯角部降温较快，易产生表面裂纹；另外，为防止奥氏体晶粒过分长大在对钢坯的加热过程要严格控制加热温度及保温时间。

优选的，所述控制轧制工序，进精轧温度910～940℃，吐丝温度750～790℃。

在盘条轧制工序，温度过低形变再结晶不充分，而形变温度过高，则形变后晶粒过大；采取进精轧温度910～940℃，促进轧制时再结晶的进行，使形变储能降低，减少因形变对奥氏体向铁素体转变的温度的影响，目的是抑制铁素体析出，为最终获得粒状贝氏体为主的组织做准备；吐丝温度控制在750～790℃，目的是防止轧后再结晶晶粒长大，为后续控冷做准备，最终实现抑制铁素体析出的目的。

优选的，所述控制冷却工序，吐丝后盘条进入集卷站，集卷站采用吹风冷却，以1.0～2.0℃/s冷却至550～570℃，然后进入盖有保温罩的板链运行通道内缓冷，缓冷时间25～40min。

优选的，所述大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条规格为φ30～42mm。

采用上述制备方法所产生的有益效果在于：本发明获得的大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条显微组织以贝氏体为主，盘条纵截面无明显带状偏析组织，该组织不仅具有良好塑性，避免了马氏体组织的脆性，且易于球化退火，在淬火时可采用较低的加热温度达到奥氏体成分均匀，淬火后可获得较高含量马氏体组织，从而保证回火索氏体中碳化物大小、形状一致，分布弥散，该回火组织具有良好的低温冲击韧性。本发明热轧盘条经820±10℃加热并保温60±10min后进行水淬火，在530±10℃保温120±10min，保温结束采用水冷至室温，产品硬度达到35-39hrc，-45℃冲击功kv2达到46～68j。

附图说明

图1为实施例2风电螺栓用冷镦钢盘条横截面金相组织；

图2为实施例2风电螺栓用冷镦钢盘条纵截面金相组织；

图3为实施例2风电螺栓用冷镦钢盘条热处理试验后横截面金相组织；

图4为实施例2风电螺栓用冷镦钢盘条热处理试验后-45℃冲击断口微观形貌。

具体实施方式

本发明一种大规格风电螺栓用冷镦钢热轧盘条及其制备方法，所述盘条化学成分及其重量百分含量为：c0.38～0.43%，si0.21-0.35%，mn0.80～1.00%，p≤0.020%，s≤0.010%，cr0.80～1.10%，mo0.15-0.25%，al0.020-0.050%，其余为fe和不可避免的杂质元素。所述制备方法，制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1230～1260℃，保温时间340～380min，加热炉残氧量0.5%～2.5%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1100～1140℃，保温时间90～120min，加热炉残氧量1.0%～4.0%。控制轧制工序，进精轧温度910～940℃，吐丝温度750～790℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以1.0～2.0℃/s冷却至550～570℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间25～40min。热轧盘条规格为φ30～42mm。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。

表1

实施例1

实施例1盘条的化学成分及其重量百分含量列于表1中，盘条制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1230℃，保温时间380min，加热炉残氧量1.2%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1100℃，保温时间101min，加热炉残氧量4.0%。控制轧制工序，进精轧温度910℃，吐丝温度779℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以1.0℃/s冷却至558℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间40min。热轧盘条规格为φ30mm。

实施例2

实施例2盘条的化学成分及其重量百分含量列于表1中，盘条制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1249℃，保温时间340min，加热炉残氧量2.1%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1121℃，保温时间106min，加热炉残氧量2.1%。控制轧制工序，进精轧温度921℃，吐丝温度750℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以1.4℃/s冷却至550℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间33min。热轧盘条规格为φ36mm。

实施例3

实施例3盘条的化学成分及其重量百分含量列于表1中，盘条制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1260℃，保温时间361min，加热炉残氧量2.5%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1128℃，保温时间96min，加热炉残氧量3.1%。控制轧制工序，进精轧温度931℃，吐丝温度769℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以1.8℃/s冷却至566℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间25min。热轧盘条规格为φ38mm。

实施例4

实施例4盘条的化学成分及其重量百分含量列于表1中，盘条制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1239℃，保温时间371min，加热炉残氧量0.5%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1140℃，保温时间90min，加热炉残氧量1.6%。控制轧制工序，进精轧温度916℃，吐丝温度782℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以2.0℃/s冷却至570℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间29min。热轧盘条规格为φ40mm。

实施例5

实施例5盘条的化学成分及其重量百分含量列于表1中，盘条制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1244℃，保温时间349min，加热炉残氧量0.8%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1132℃，保温时间120min，加热炉残氧量1.0%。控制轧制工序，进精轧温度940℃，吐丝温度790℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以1.6℃/s冷却至554℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间36min。热轧盘条规格为φ42mm。

实施例6

实施例6盘条的化学成分及其重量百分含量列于表1中，盘条制备工艺流程为：大方坯加热→开坯→缓冷→热轧坯加热→控制轧制→控制冷却→成品盘条，大方坯加热工序，钢坯加热至1254℃，保温时间354min，加热炉残氧量1.7%。热轧坯加热工序，钢坯加热至1114℃，保温时间114min，加热炉残氧量2.4%。控制轧制工序，进精轧温度926℃，吐丝温度774℃。控制冷却工序，吐丝后盘条采用吹风冷却，以2.0℃/s冷却至561℃，然后进入盖有保温罩的运行通道内缓冷，缓冷时间38min。热轧盘条规格为φ36mm。

对实施例1－6热轧盘条显微组织进行检测，检测结果列于表2中。此外，取实施例1－6热轧盘条试样进行调质热处理试验，试验后对试样硬度和-45℃冲击功进行检测，检测结果列于表2，热处理试验工艺如下：将盘条试样经820±10℃加热并保温60±10min后进行水淬火，在530±10℃保温120±10min，保温结束采用水冷至室温。

表2

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。