10.9级大规格风电螺栓热处理工艺研究

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。

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。

10.9级螺栓材质和热处理1、10.9级普通螺栓的材质选择及特点10.9级普通螺栓采用的材料是40Cr，经过淬火回火后硬度为HV320-380即HRC34-40，抗拉强度为1040MPa，组织为回火索氏体。

10.9级的普通螺栓适用于各种机械设备，由于其抗拉强度比较高，所以使用寿命较长。

2、10.9级高强螺栓的材质选择及特点10.9级高强螺栓采用的材料是18Cr2Ni4W、25Cr2MoV钢，不同直径的螺栓规格范围为M27-M48。

由于这类钢容易在表面形成一层钝化膜，膜将使螺栓不能获得附着力良好的化学镍磷层，必须采取特殊的前处理措施将膜去除。

这种级别的螺栓的抗拉强度大于1220MPa，使用寿命长，适用于许多工业领域的气动和液压设备中。

3、10.9级达克罗螺栓的材质选择及特点10.9级达克罗螺栓采用的材料是碳钢，碳钢主要指碳的质量分数小于2.11的铁碳合金，有时也称为普碳钢或碳素钢。

硬度要求为HV320-380，即HRC34-40，抗拉强度为1040MPa左右，适用于各种机械设备。

4、8.8级、10.9级、12.9级螺栓分别用什么材质钢材？8.8级的螺栓一般使用中碳钢，小规格的螺栓使用中碳钢即可，大规格的螺栓要使用合金钢。

10.9级和12.9级螺栓的材质都是合金钢材质，因为其抗拉强度更高，使用寿命更长。

总之，材料的选择取决于螺栓的需求和使用环境，不同的材质有不同的优劣和适用范围，选择合适的材质可以延长螺栓的使用寿命，避免出现意外情况。

在使用过程中，除了注意材质，还需要注意螺栓的安装和保养，及时更换老化或损坏的螺栓，确保设备的安全性和稳定性。

【结语】本文详细介绍了10.9级螺栓的材质选择及特点，并解答了用户关心的问题。

对于机械设备领域的从业者和爱好者，这些知识都是不可或缺的，希望能对大家有所帮助。

10.9级大规格风电螺栓热处理工艺研究作者：张秀玉邱光明杜旋来源：《城市建设理论研究》2013年第03期摘要：;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)風电螺栓，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1;;;;;;42CrMo钢化学成分;;;;;;;;;;%;表2;;;;;;;10.9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。