B7钢风电机组紧固件用工艺材料

. 168 . 《紧固件》季刊 2011年3月 第二十四期

应用篇·技 术 | Know-how

B7钢风电机组紧固件用工艺材料

金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣

B7钢为美国ASTM A193 /A193M 《高温下的合金钢和不锈钢螺栓材料》标准中适用于高温高压环境下的高强度紧固件，该专用的紧固件标准具体规定了B7牌号的化学成分范围，按炉批号进行检验，因此适用于高温、低温质量要求较高以及专用结构型式的场合，制造过程工业设备、管道以及风电机组中主要使用这一类紧固件标准。

ASME/ASTM、ISO898：1--2009和GB/T3098.1--2011紧固件标准一般不具体规定每个牌号的化学成分，仅仅给出一个很大的成分范围，允许制造厂在保证性能达到标准要求的前提下，根据各自的工艺条件，在众多的坯料牌号中选用。成品的交货检验按生产批进行，批量较大且可由不同牌号、不同批号组成，因此其质量等级相当于（略高于）普通标准件。1．B7钢的化学成分剖析

由表1可见，B7钢的化学成分分析，尤其是含碳量成分范围很宽。在美国的合金结构钢号体系中，B7包括了AISI4140、4142、4145、4140H、4142H、4145H钢等6个牌号的成分范围，与我国GB/T3077-1999《合金结构钢》中常用的螺栓材料牌号35CrMoA钢相比，不仅含碳量明显提高，达到了42CrMoA钢的水平；而且Mn含量也偏高。因此，紧固件企业在准备坯料时必须注意这一差别，两类材料的坯料不能互用。

B7是一种调质用高淬透性钢材，它的机械性能与成分（尤其是影响淬透性的元素—C%）、热处理工艺和截面尺寸密切相关。根据淬透性的测试，B7油淬的临界直径为φ42-φ45mm。因此，虽然B7的成分范围较宽，实际上这是为了适应不同规格产品的需要，同时让紧固件企业有较大

的选择坯料和热处理工艺制度的余地。

B7钢的实际适用温度较宽，最高温度可达538℃，经调质后有良好的低温韧度，一般其脆性转变温度在-50℃以下，ASME压力容器规范规定，B7钢免除冲击功试验情况下的最低使用温度为-48℃。

当紧固件使用温度低于-48℃时，必须对B7钢进行低温冲击功试验。此时应选用相应保证低温冲击性能的AISI4040H、4142H、4145H钢，此类钢的化学成分基本上就是B7钢的化学成分，主要质量指标除了强度外，还必须包括低温冲击功试验。2．B7钢主要技术条件

当前，我国生产的B7钢是钢企根据紧固件企业的使用要求及性能特点，在美国ASTM A193和GB/T6478-2001标准的基础上，与用户制订的B7钢技术协议，其主要技术要求见表2。　

张先鸣，高级工程师，1970年10月参加工作，2000年前在大中型国企工作，长期从事金属材料及金相热处理工艺研究，尤其擅长齿轮、链条、紧固件的技术工作，对新材料、新工艺开发与运用有一定经验。有70余篇论文发表在国家、省级专业期刊上，多项成果获省级技术成果三等奖。

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为达到成品的各项性能，应严格内控化学成分，并尽量控制Mn/Si≥3.0，机械性能除保证强度、塑性、冲击功外，还要求硬度指标。协议还规定了钢材的冷顶锻、低倍组织、非金属夹杂物、脱碳层、表面质量和检验规则等内容。紧固件企业在整个试制过程中均以此协议作为验收的依据。

高强度螺栓要求热处理后强度高、韧度高，因此C、Mn、Si、Cr、Mo等元素合金化要求有较好的配合，各元素必须按已设计的目标成分来调整控制，以达到最佳强韧度的配合，为保证一定的冷镦性能、切削性能要控制合适的S含量。

影响高强度螺栓寿命及安全性的一个重要指标是钢中的非金属夹杂物，尤其是氧化铝类（B类）夹杂物与球状氧化物类（D类）夹杂物。夹杂物的存在隔断了金属的连续性，剥落后就成凹坑或裂纹，在冷镦成形时极易形成裂纹源，在热处理时造成应力集中，产生淬火开裂。

B7钢中A类、B类夹杂物一般在1.5级以下，而C类、D 类夹杂物则为0级，在生产中通过用Al来脱氧外，还向钢中加入了微量的细化晶粒的元素（如Ti、V等），使它们通过固溶强化、弥散强化、晶粒细化强化等来满足技术协议中机械性能的要求，B7钢的实际晶粒度都在8级左右。

此外，B7钢的脱碳倾向尽管没有含Si弹簧钢大，但其深度要求（铁素体+过渡层）不大于钢材公称直径的1%，在热处理调质时有良好的保护气氛时，碳势控制在0.45%即可保证滚丝后螺纹顶部脱碳层E值大于2 / 3H高度。

3. 热处理工艺

高强度紧固件的制造生产工艺除冷镦工艺外，还有温锻、冷挤压以及切削加工等。B7钢高强冷镦螺栓生产工艺流程为：球化退火→冷拔→冷镦成型→加工螺纹→淬火和回火→表面处理；B7钢高强温锻螺栓生产工艺流程为：冷拔→下料→温锻成型→六角整形→淬火和回火→加工螺纹→表面处理。压力容器和风力用高强度螺栓需要经过球化退火和调质两道热处理，使其强度级别达到10.9级。

球化退火工序是B7钢制造高强度螺栓必不可少的首要工序，B7钢含有较多合金元素的中碳合金钢。在冷镦前必须进行球化处理以获得均匀细小的粒状珠光体。细小的

珠光体可显著提高钢材塑性变形能力，有利于冷镦成型。粒状（球状）珠光体是通过渗碳体球状化获得的。

在高强度紧固件制造过程中，通常根据冷镦变形量和零件复杂程度选择热处理工艺，从工艺角度而言，简化球化退火工艺是发展方向。研究表明，对于CrMo系钢中，热轧态组织为贝氏体+少量铁素体，采取在临界区600-750℃变形，诱发相变可促使产生有利于球化短轴状渗碳体组织，简化球化退火时间。贝氏体相比珠光体相为更高分散度相，加热后易残留较多的细小均匀的碳化物颗粒，减少碳的扩散距离，从而加速珠光体转变和碳化物球化。

为此，B7钢球化退火工艺多采用缓冷法球化退火处理或者软化退火处理，二者主要差别在于加热温度不同，即在相变点上还是相变点下。缓冷法球化退火处理即加热至Ac

1温度以上20-30℃均热，冷却至略低于Ar

1

温度，保温适当时

间，然后缓冷；软化退火处理在略低于Ac

1

温度加热，适当保温以后随炉冷却到550℃以下，然后出炉空冷。

棒料组织有贝氏体相更利于球化进行，而B7盘条不同于棒料的原始组织，使得盘条在球化及调质处理过程中显示出不同于棒料的组织特点，在使用B7盘条制作高强度螺栓时，必须考虑到金相组织的差异所带来的热处理影响。

B7钢Ac

3

点约为780℃，因此确定该钢正常淬火温度为850-870℃，10.9级高强度螺栓硬度控制在32-39HRC范围，确定高温回火温度530-550℃，试样进行硬度（HBS）测定，棒料试样为332-350HBS；盘条试样为327-345HBS。当淬火温度在870-880℃时，B7钢处于完全奥氏体化温度区，可以在一定程度上消除原始组织的差异。经过调质处理后，试样组织为回火索氏体，棒料试样的索氏体细小均匀，碳化物均匀；而盘条试样的索氏体粗大，这是前期组织遗传性的影响，导致两者热处理后最终索氏体形态不同，性能也有一定差异。

为了保证高强度螺栓的性能均一性，从而进一步弥补差异，则需要在球化退火温度和时间选择上，尤其是针对大型风电用高强度螺栓结构复杂，镦锻变形量大时，必须

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