10.9级大规格风电螺栓热处理工艺研究
风电用高强度紧固件用钢成分设计及热处理工艺研究
DOI:10.3969/j.issn.l006-110X.2021.03.009风电用高强度紧固件用钢成分设计及热处理工艺研究包石磊12,许志军1刘键1白澈力格尔1刘和家1（1.天津荣程联合钢铁集团有限公司，天津3033522钢铁研究总院华东分院江苏223003）［摘要］通过对03/3077中42CrMoA圆钢整体热处理工艺实验研究，认为仅仅通过热处理工艺的调整，材料的综合性能难以满足低温（-44兀）冲击功Akv大于27J、抗拉强度大1040MPa的风电用高强度螺栓的技术要求。
作者研究认为,在适当提高合金元素Mn含量的基础上，通过热处理工艺，材料综合性能可以接近甚至满足风电高强螺栓零件的技术要求；进一步的研究结果表明，采用Tt微合金化设计，材料低温（-0兀）冲击功Akv大于44J 、抗拉强度大于110MPa,材料综合性能可以满足风电螺栓的技术要求。
［关键词］高强度风电螺栓；紧固件;低温冲击性能；热处理Study on steel composition design and heat treatmenttechnology for high strength fasteners of wind powerBAO Shi-lei1,2,XU Zhi-jun1,LIU Jian',BAI Che-H-ge-er1and LIU He-jia1(1.TiaiJin RoogCheng United Aoo&Steel Group Co.,Ltd.,TIANJIN300352;Hast China Branch of CISRI,JIANGSU223000)Abstract Throuph the heat treatment experimentat stupy of42CrMoA roupd steel in03/3077, thinking that through the mere apjustment of the heat treatment pehss,the comeredensive eeperties of the materiats are difficctt to meet the technicat requirements of high-strength bolts for wind powea with neqative40decrees low temperature V-type iaeact work greater than27J and tensite strength of1044 MPa.The stupp believes that on the basis of i&eroving the Gonmct of mangadese,bp heat treatment process,the matevat comeredensive perfoirmidGc can be e ro P&a m to or even meet the technicat equiremvnts of wind power high-strength bolt pats.Further studies have shown that Tt microalloyed desian；material neqative40decrees low temeerature V-type imeact worO is孕111than40J and tensite strength is孕111than110MPa,and the comeredensive eerformance of material can meet the technicat requirements of hign-strength bolts fyr wind power.hign-strength wind power bolt,050x00,low temeerature impact卩巳!^)^!^,heat Key wordstreatment.0引言2010年，我国风电装机总容量突破50GW,荣升全球风力发电装机容量第一大国。
10.9级高强度螺栓热处理工艺
10.9级高强度螺栓的热处理工艺如下：预处理：对原材料进行退火处理，以消除内部应力并提高塑性。
退火温度通常为830°C，保温时间约为60分钟。
淬火：将退火后的螺栓加热至850°C，保温60分钟，然后进行快速冷却。
淬火介质可以选择等温分级淬火油。
回火：淬火后的螺栓应进行回火处理，以恢复其韧性和塑性。
回火温度通常为450~600°C，保温时间根据螺栓的规格和要求而定。
表面处理：螺栓的表面需要进行防锈、防腐等处理，以提高其耐久性和美观度。
需要注意的是，10.9级高强度螺栓的热处理工艺需要根据具体的生产条件和要求进行调整和优化。
同时，热处理过程中需要注意控制加热速度、保温时间、冷却速度等参数，以避免出现过热、过冷等不良现象。
10.9级高强度螺栓断裂分析
10.9级高强度螺栓断裂分析张邦强;谢娟【摘要】3支10.9级42CrMoA高强度螺栓装配后发生断裂,经分析是因为回火不足导致材料强度过高,从而引起了延迟断裂.明确指出42CrMoA钢制作的10.9级和12.9级螺栓淬火后的回火温度一般不低于500℃,可有效提高延迟断裂抗力.【期刊名称】《大型铸锻件》【年(卷),期】2009(000)006【总页数】4页(P15-17,39)【关键词】螺栓;失效分析;延迟断裂;回火热处理【作者】张邦强;谢娟【作者单位】东方汽轮机有限公司材料研究中心,四川618203;东方汽轮机有限公司材料研究中心,四川618203【正文语种】中文【中图分类】TG115.5+73支10.9级M30高强螺栓在进行风电轮毂装配后，发生了断裂脱落事故，断裂时间为装配完成1天之后。
螺栓材质为42CrMoA，杆长250 mm。
断裂位置均位于六角螺栓头部。
装配过程为了控制力矩采用了力矩扳手。
为了分析高强度螺栓断裂的原因，我们搜集了断裂样品，进行了综合试验分析。
1 试验分析1.1 断口宏观分析图1为断裂脱落螺栓头的断口形貌，断口中局部颜色较深是由于断裂后浸入油渍形成的。
从断口可以看出，断裂源区位于R角外缘处(见图1箭头所示位置)，裂纹扩展至1/2半径处，出现了纤维状断口特征，之后裂纹发生了快速扩展。
整个断口较为平整，呈典型的脆性断裂特征。
图2为螺杆部分宏观检验照片。
1.2 常规理化分析在断裂螺杆上取样进行了化学成分、力学性能和金相组织检验分析，结果见表1、表2和表3。
图1 断裂螺栓头部形貌图2 螺杆部分宏观检验照片 Figure 1 The head appearance of fractured bolt Figure 2 The macrographic examination of the screw part表1 实测螺栓化学成分( 质量分数，%)Table 1 The chemical composition of the bolts(mass fraction, %)元素CSiMnSPCrMoCu断裂螺栓实测值未使用新螺栓实测值0.3860.3800.1840.1720.5320.5280.0090.0070.0130.0100.9500.9060.2250.18 70.0040.001表2 螺栓力学性能试验结果Table 2 The mechanical properties results of the bolts试验项目Rp0.2/MPaRm/MPaA5(%)Z(%)Aku/JHBS断裂螺栓实测值1 1301 51010.037.014 14420 429未使用新螺栓实测值9001 15015.553.546 55341 345表3 金相检验结果Table 3 The metallographic examination results of the bolts试验项目显微组织夹杂物脱碳层晶粒度断裂螺栓试样未使用新螺栓马氏体回火索氏体D2.0D2.00.10 mm0.15 mm6～76～7从试验结果看，断裂螺栓材料化学成分符合GB/T 3077对42CrMoA材质的化学成分要求，而力学性能试验结果显示断裂螺栓的伸长率、冲击功均低于标准要求，同时强度和硬度远高于正常螺栓。
JPSQSCG 020 10.9级(英制8级)螺栓热处理施工工艺
/
/
淬火硬度（HRC）
50～55
碳势控制系统
温度（℃）
基准空气（CFH）
烧碳空气（CFH）
甲醇流量（100CC/HR）
瓦斯流量（M3/HR）
碳势控制
800～1200
0.5
1.0～1.2
15～60
/
0.15～0.35%
淬火炉
一段温度（℃）
二段温度（℃）
三段温度（℃）
四段温度（℃）
五段温度（℃）
480±20
105±5
备注：1、送料厚度≤3D（D为产品称呼径）；
2、英制8级技术要求见SIP900；
3、其它依JPSQS/CG 001执行。
SSRJ标准
10.9级（英制8级）螺栓热处理施工工艺
标 题：
文件编号
JPSQS/CG 020
第0次修订
页 数
1/2
一、10B30、10B33、10B38、10.9级螺栓（英制8级）（短尺寸）热处理施工工艺（一）：
强度等级
10.9（英制8级）2
热处理技术要求
表面硬度（HV）
MAX 390
产品规格尺寸
M14～M24（英制1/4以上）
油槽温度（℃）
洗净槽温度（℃）
泵浦
调质淬火油
60～85
≥55
常开
回火炉
一段温度（℃）
二段温度（℃）
三段温度（℃）
四段温度（℃）
时间（MIN）
400～500
480±20
480±20
480±20
105±5
备注：1、送料厚度≤3D（D为产品称呼径）；
2、英制8级技术要求见SIP900；
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析_张君
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９
０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
风力发电机组高强度螺栓紧固力矩分析
风力发电机组高强度螺栓紧固力矩分析摘要：通过分析风力发电机组装配工艺中高强螺栓预紧力和扭矩的关系，从而反算出高强螺栓在实际施工中所需的拧紧力矩以及拧紧力矩的控制方法。
关键词：高强度螺栓摩擦预紧力紧固力矩中图分类号： o313.5 文献标识码： a 文章编号：引言在风力发电机组的装配过程中，构件之间用高强度螺栓连接是使用得最多的连接方式，因其具有结构简单、装拆方便以及在动力荷载作用下不致松动等特点，因此在装配工艺上应用非常广泛。
但是，如果装配不当、紧固力矩控制不好，就容易造成螺栓连接松动、滑丝、断裂失效等情况，影响机组的正常运行，有时甚至造成严重后果。
当螺纹连接副尚未具备保证连接可靠的摩擦力矩时，其自锁能力较差，在机组运行过程中受到振动、冲击等变载荷作用下，螺栓就会松动。
因此，如何保证螺栓连接时的可靠性，一直是风电机组装配工作所关注的问题。
我们知道，螺纹连接副的摩擦力矩是在对螺栓施加拧紧力矩，使螺纹副产生预紧力而获得的。
因此要确保连接可靠，则必须保证对螺栓施加合适的拧紧力矩，进而在螺纹副中产生合适的预紧力，使自锁能力达到最佳状态。
在风力发电机组的装配工艺上，关键部位和承载部位均使用的是高强度螺栓，因此控制高强度螺栓的拧紧力矩是防止螺栓松动的关键之一。
1、高强度螺栓的选用由于风力发电机组在运行过程中，构件之间受到很大的振动、冲击等变载荷作用，构件间的夹紧力是依靠对螺栓施加预紧力来实现的，所以螺栓必须采用高强度钢制造，这也是风电机组选用高强度螺栓连接的原因。
而高强螺栓除了其材料强度很高之外，在施加拧紧力矩后，螺栓产生巨大而又受控制的预拉力，而这个预拉力通过螺帽和垫片，对被连接件也产生了同样大小的预压力。
在预压力作用下，沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力，只要轴力小于此摩擦力，构件就不会滑移，连接就不会受到破坏。
一般情况下，风力发电机组上使用的高强螺栓为10.9级居多。
2、高强度螺栓连接的工作性能根据螺栓受力特点，高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同。
6.高强度紧固件热处理与网带炉操作
高强度紧固件热处理与网带炉操作
3、网带炉操作要点 高强度紧固件生产量大、价格低廉，螺纹部分又是 比较细微相对精密，因此网带炉尤其适用于中小规格紧 固件的热处理，自动化程度高，热处理质量好。 3．1网带炉的特点： a、智能化 己实现整个系统实施多项目操作，控制网 带速度、温度、碳势、工艺数据可储存10年； b、高质量 加热区炉温波动幅度不大于±5℃，炉温均 匀性不大于10℃，炉内气氛均匀性不大于±0.05%C,氧 探头、除碳空气泵、碳势控制仪、炉气调节器可靠配合 在网带炉上，以适合甲醇、甲苯（丙烷）气氛，炉内气 氛由高纯度甲醇通入炉内裂解作为载气，以高纯度甲苯 （丙烷）通入炉内裂解作当富化气，碳势设定为 0.36%--0.45%。
高强度紧固件热处理与网带炉操作
淬火加热温度，主要根据钢的化学成分，结合具体工 艺因素进行确定的。钢的化学成分是确定淬火温度的主要 因素，根据选择淬火介质的不同，采用的淬火加热温度不 同。亚共析钢为Ac3+30--50℃，35钢Ac3=803℃、ML35 钢Ac3=807℃、SWRCH35K钢Ac3=805℃、45钢 Ac3=780℃。淬火是最为关键的工序之一，习惯上将淬火 +高温回火称为调质处理。为了把螺栓强度和保证应力控 制在合格范围，在提高硬度下限值基础上，回火时更应关 注以下五个方面。 材料的区别，炉型的区别，镦制的区别（红冲与冷镦 成型区别），螺纹的区别（全牙与半牙的区别，全牙总有 效截面积小，承载抗拉强度低，回火温度偏差5--10℃）， 介质的区别（水淬与油淬的区别）。
高强度紧固件热处理与网带炉操作
7、紧固件用淬火介质的选择 当前用于紧固件淬火的介质主要是各种淬火油，水溶 性淬火介质和普通自来水。 下面分述这些介质在紧固件淬火中的选用方法和注意事项： 7．1专用淬火油 专用淬火油一般分为普通淬火油、快速淬火油、等温 淬火油以及光亮淬火油等。紧固件企业大多采用普通淬火 油、快速淬火油。它的热稳定性都较好，能更好地保证零 件的淬火质量。当然，快速淬火油优于普通机械油的最重 要方面还是它们的冷却特性，在冷却速度分布上都有蒸汽 膜阶段短的特点。因而，使工件在高温阶段能冷却得更快。 其中，快速淬火油的最高冷却速度都比较高，中、低温阶 段的冷却速度快慢则因淬火油的品牌不同而有较大差别。 快速淬火油主要用于合金结构钢以及较小规格紧固件和淬 透性稍低的钢种。
高强度风电叶片螺栓的制造、检验和使用规范
一、叶片螺栓的制造工艺流程
1
材料选用
叶片螺栓、T型螺母、螺纹套管材料选用42CrMoA、B7，客户有特殊要求时选
用40CrNiMo；六角螺母、垫圈材料选用45#、42CrMo、B7、35CrMo不等。
42CrMoA和B7的主要区别如下： 锰（Mn） 铬（Cr） 钼（Mo）
磁粉探伤需要持证上岗，目前我们公司Ⅰ级持证人员有 6个，Ⅱ级持证人员有4个，Ⅲ级持证人员有1个。
喷砂机
表面清理--去油、喷砂
叶片螺栓的表面清理包括去油、喷砂，此工序直接影响 到后面涂层的品质，所以必须脱脂干净后才能进行喷砂，除 去表面氧化层。
清理完绝对禁止不带手套接触，因手上带有的油脂、汗 液等物质，将会造成二次污染。周转桶要专车专用，不得用 油桶或其他有污染的桶，否则会造成二次污染。
遍采用10.9级。
CNC数控加工中心
选用CNC数控加工，是由于螺栓的设计要求精度 较高，尤其是螺纹的坯径尺寸精度要求高，公差控 制在2-3丝之间，精密数控加工方可保证加工技术要 求，可以保证后续螺纹的滚压精度，且能提高生产 效益；另外，叶片螺栓是采用经过热处理后进行金 加工的工艺，从而确保了叶片螺栓的两端螺纹和整 根螺栓的同心度。
中性盐雾试验与快速盐雾试 验的比较
等级
中性盐雾 试验时间 （小时）
快速盐雾 试验时间
（分）
检测要求
1 234 240 480 720 1000
30 45 75 120 基本不允许出现红锈
中性盐雾试验箱
无铬涂层涂覆技术
无铬涂层又称锌铝涂层，不含铬，环保，无污染。无铬涂料分水溶性 和有机溶剂型。
无铬涂覆工艺流程与达克罗涂覆工艺相似，只是工艺参数稍有差异， 如：达克罗涂覆烘烤固化温度在300℃左右，而无铬涂覆使用溶剂型涂料 时，烘烤固化温度仅200℃左右。无铬涂层分底涂和面涂，涂层防腐靠的 是底涂涂层，而面涂涂层起到一个保护层。无铬涂层检验标准方式与达克 罗涂层也大致相同，只是涂层结合力测试有些客户会要求使用划格试验检 测。
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10.9级大规格风电螺栓热处理工艺研究
摘要：大规格风电螺栓要求具有很高的强度、良好的塑性和韧性指标，常规调质处理热处理手段很难达到要求，通过调整热处理工艺及设备改进圆满的解决了大规格风电螺栓高强度和高的低温冲击韧性的矛盾，并得出了最佳工艺方案，为解决生产中类似问题提供借鉴。
关键词：42crmoa钢；风电螺栓；水溶性淬火液；低温冲击性
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：
1风电螺栓的要求
风电螺栓需要很高的抗拉强度、高的屈服强度和良好的低温冲击韧性。
42crmoa钢是一种中碳高强度合金结构钢，在调质状态下能够满足上述要求。
我公司大量采用42crmoa钢来生产m36以上的大规格10.9级(hrc33~39)风电螺栓，其化学成分范围见表1，主要机械性能要求见表2。
其制造流程为：下料-锻造-粗加工-热处理-做纵向力学性能，探伤-合格后转精加工。
虽然42crmoa钢风电螺栓性能要求较普通钢结构高强度螺栓高，但主要难题是在连续大批量生产时，在满足高抗拉强度和屈服强度的基础上，同时具有良好的低温冲击韧性(试样尺寸：10*10*55mm，akv2.00mm)。
表142crmo钢化学成分%
表210.9级风电螺栓机械性能要求
我公司采用苏州新凌无马弗罐托辊式保护气氛网带炉，经检验无脱碳增碳，螺栓规格：m48mm*240mm，其机械性能见表3。
在实际的生产过程中发现在满足高抗拉强度和屈服强度的同时，其低温冲击吸收功往往只有10到20j之间，而客户把零下45摄氏度时的冲击吸收功大于27j的性能要求作为重点质量把关。
所以按原工艺，满足了低温冲击性能，就往往导致抗拉强度或屈服强度又不合格。
原两次热处理工艺方案如下：一次处理方案：1、保温温度为860℃，保温75 min，淬10#机械油，520℃回火，保温150 min，水冷
二次处理方案：2、保温温度为860℃，保温75 min，淬10#机械油，540℃回火，保温150 min，水冷
表3m48螺栓的原热处理工艺及主要机械性能
为了满足风电螺栓工艺要求，经过对热处理工艺的认真分析研究，首先对现有的生产设备进行改造，然后调整热处理工艺，最终达到了客户所需的要求，具体机械性能如表3。
具体设备改造内容如下：1.首先，把炉子的总功率由原来的500kw提高到650kw，以提高单位功率。
2.其次，油槽加装三翼螺旋桨搅拌器：1.5kw，直径250mm，420r/min，加强淬火介质搅拌与循环，均匀淬火介质温度。
3.最后，由于油槽热电偶的位置问题，导致显示的油槽上面油温和
下面的有一定差距，所以油温控制也由原来的60-80度改为20到40度，
4.淬火介质由原来的10#机油改为好富顿快速淬火油，
对设备进行改造同时，对工艺进行了调整，具体改进工艺方案如下：改进热处理方案：保温温度为860℃，保温75 min，淬“好富顿”超快速油，540℃回火，保温150分钟，水冷。
3. 大于m48mm风电螺栓热处理工艺研究
对于大于m48mm的系列大规格螺栓（例如m56系列的），采用三种不同热处理工艺方案，机械性能有一定差距，一次方案不能满足客户需求，二次工艺方案能够满足要求，改进方案则加热速度快，时间短，效率高，表面氧化少，螺栓奥氏体晶粒细，淬火后获得的马氏体组织也非常细（4到6级），机械性能更加优良，具体热处理性能如表4。
三次具体热处理方案如下：
一次热处理方案：1、保温温度为860℃，保温90min，淬“好富顿”超快速油，520～540℃回火，保温150～180min，水冷；
二次热处理方案：2、保温温度为860℃，保温90min，水转油，520～540℃回火，保温150～180min，水冷；
改进热处理方案：中频调质淬火（中频设备：1040~1070hz，
250kw,180~300a，中频电压790v，功率供给100~150kw），保温240到270秒(相当于加热温度860~870℃)，淬5~6%pqg水溶性淬火介质，520～540℃回火，保温150～180min，水冷。
表4m56螺栓的三种热处理工艺及其机械性能对比
4结论
由于风电行业迅猛发展，对于风电螺栓的需求越来越多，性能要求也越来越高，在满足高抗拉强度和屈服强度的基础上，同时具有良好的低温冲击韧性，为了满足客户要求，我公司在大规格风电螺栓规格生产工艺进行调整，在生产大规格风电螺栓上得出最佳工艺方案：
对于m36到m48风电螺栓热处理工艺：860℃，保温75min，淬“好富顿”超快速油，540℃回火，保温150min，水冷。
对于m48以上风电螺栓热处理工艺：中频淬火，保温240到270秒，淬5~6%pqg水溶性淬火介质，520～540℃回火，保温150～180min，水冷。
本文第一作者为张秀玉，助理工程师。