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紧固件线材棒料在风电高强螺栓中的应用

作者:admin来源:本网 日期:2017-6-30 10:26:56 人气: 标签:

  表1风电用高强螺栓材料国内外牌号性能规格牌号标准号备注欧盟牌号日本牌号美国牌号S级中国牌号(借用)中国牌号高强螺栓强化机制风电设备中的高强螺栓大多数为中碳合金钢,不仅要求具有较高的强度,同时还要具有足够的韧性和塑性。

  实践证明,螺栓经调质热处理后可具有较高的强度、足够的韧性和良好的抗疲劳性能。如果淬火时未能全部淬成马氏体而得到一些非马氏体组织,螺栓的强度、韧性和疲劳性能均会有所降低,尤其当铁素体沿晶界呈网状分布时,其影响程度更为严重。为此,对高强螺栓调质淬火时要求整个截面90%以上获得马氏体。

  中碳合金钢中所包含主要合金元素有C'、Ni、M+、M,等。它们所起的主要作用是增加中碳合金钢的淬透性,使淬火保证得到马氏体,并且高温回火时有足够的回火稳定性,回火后回火索氏体组织得到强化。实际上,这些元素大多溶于铁素体中,使铁素体得到强化。中碳合金钢中这类元素的含量都保证使铁素体得到强化而不明显降低其韧性,甚至有的还能同时提高其冲击韧度。

  其余如M,-、B等合金元素,它们在中碳合金钢中的含量一般很少,特别是B的含量极微,但可显著地增加淬透性。

  淬硬层深度不仅与钢材成分有关,而且也受螺栓截面大小、加热温度、冷却介质及冷却方法等影响,诸多影响因素在制定热处理工艺时必须加以注意。

  风电高强度螺栓用中碳合金钢(化学成分见表2)。

  表2中碳合金钢的化学成分(质量分数)钢号等钢,油淬临界直径不大于25mm,B含量明显提高淬透性,主要用于钢结构高强度螺栓、小功率风电机组10.9级高强螺栓。

  35CrM钢中的铬和钼具有提高钢的淬透性和钢的强度的作用,同时具有增加钢回火稳定性和消除回火脆性的作用。35CrMo钢的临界淬透直径在油中为25mm,尺寸较大时,心部不能完全淬透,而在晶界上析出铁素体和贝氏体等非马氏体组织,使调质后心部的综合性能比表面差。

  9级高强度螺栓的钢种,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性,淬透性并不高,油淬时可淬透25mm直径。

  B7钢是美国紧固件标准牌号,成分近似42CrM钢,42CrMo钢含碳量和含铬量比35CrMo钢高,可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42mm. 40CrNiMA钢中铬和钼是碳化物强烈形成元素,镍既能提高钢的强度,又能提高其塑性与韧性;镍在钢中不形成碳化物,只能固溶于奥氏体与铁素体,起着细化晶粒、强化铁素体、改善韧性,特别是改善低温冲击吸收能量的作用;同时又能增大钢的淬透性,这对力学性能要求较高且均匀的大截面风电高强度螺栓特别有用。

  该钢在油中淬透临界直径为45mm以上。另外该钢第二类回火脆性特别敏感,在450~550>回火时,快冷与慢冷的冲击吸收能量相差5~7倍,所以在高温回火时应快冷。

  34CrNi3M钢为大截面调质用合金钢,油淬临界直径可达805100mm,在我国合金钢材料标准中己取消该热加工g钢种,但其淬透性优点,是其他钢种所无法比拟的,市场有需求。

  高强度螺栓调质淬火时需要整个截面90%以上获得马氏体组织。风电高强度螺栓直径均大于30mm,淬火介质选用影响最大,当油淬火时不能满足力学性能要求,则必须采用水淬,原则是在不淬裂的前提下尽量采用水溶液。因为水淬有较多的优点,如有较深的淬硬层、良好的力学性能、生产成本低等。

  的冲击韧度和淬透性,当直径超过45mm时,必须采用水溶液,以保证淬硬层深度。

  根据不同钢号的临界点确定加热温度(一般在8503左右),然后淬火+高温回火,在500~6003之间的高温回火(调质处理),使10.9级风电高强度螺栓具有良好综合力学性能。中碳合金钢的临界点温度和热处理工艺如表3所示。

  表3中碳合金钢热处理工艺钢号临界点温度/3热处理工艺5.超细晶粒钢及新材料高强螺栓属于带缺口零件,具有很高的缺口敏感性,容易在缺口集中部位处,杆与头部的过渡处或螺纹根部产生延迟断裂。

  风电高强螺栓的弱点是在自然环境下,对延迟断裂比较敏感。延迟断裂通常是在常温下伴随大的塑性变形,而且在屈服强度低得多的情况下发生的,往往不易察觉,成为危害比较大的安全隐患。

  耐延迟断裂的具体措施之一是细化晶粒,为此,国内外都在广泛地研宄开发超细晶粒钢。如:日本住友金属的ADS系列,神户制钢的KNDS系列,中国钢铁研宄总院的ADF钢等。大连钢厂在钢研总院的指导下,在42C+M-钢的基础上,通过降低S、P、Si、Mn含量,添加微合金元素Nb,并增加M-的含量,成功地开发出1300MPD级的高强度螺栓用钢),其综合力学性能有较大幅度提高,在康明斯发动机上,用于12.9级缸盖螺栓,具有良好的疲劳性能,在自然环境下的延迟断裂试验情况良好,未发现断裂。制成的13.9级螺栓替代由42C+M-钢制造的10.9级螺栓安装在依维柯发动机的悬挂支架上,两次通过1.5万km的可靠性能道路试验,突破了国际上最高只有12.9级螺栓的限制。

  近年来大量采用的钢结构用紧固件,抗拉强度超过1200MPd,国外采用KDS2钢(代替SCM440钢)制造12.9级螺栓,延迟断裂有明显改善;我国采用45C+NiMTi在1500MPd级别钢结构连接副上使用,其性能优于回火马氏体(铬钼系列钢)高强度紧固件。

  目前,国外开发的还有U20Si超高强度钢(无碳化物贝氏体/马氏体复相钢)和国内开发的免退火冷镦钢棒料或简化退火线材,己经在风电紧固件上得到大量使用。6.结语众所周知,螺栓的破坏大部分是疲劳破坏,而螺栓又是多缺口、易于应力集中的零件,过高地要求螺栓的使用强度,即抵抗静拉能力提高了,而动载疲劳强度并非随着抗拉强度增加而提高。为此,热处理时将10.9级风电机组高强度螺栓抗拉强度+m控制在1050-1130MPd,螺纹在热处理后滚丝成形,这样在螺栓的内部产生较大的残余压应力,从而减缓裂纹的形成,因而可以大大提高螺栓的疲劳强度。

  风电用高强度螺栓作为机械基础件,如今世界各国都在重视强化技术,对紧固件用钢要求具有更高的强度、抗延迟破坏性能、耐腐蚀性,加工性能都提出了新要求。

  近年来,随着我国钢铁企业的技术进步,高强度、高耐热、高成型紧固件棒材线材的大量推出,既能满足曰益严格的风电用高强度螺栓力学性能的要求,也能支持风电发电机组整机与零部件的国产化。MW

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