风电拉铆钉低温冲击性能不合格原因分析.pdf

性能研究October,2023RECHULIJISHUYU ZHUANGBEI2023年10 月Vol.44,No.5第44卷第5期热处理技术与装备风电拉铆钉低温冲击性能不合格原因分析文华，王霞，李新荣，张威（眉山中车紧固件科技有限公司，四川眉山620010)摘要：通过冲击试验机、电火花直读光谱仪、洛氏硬度计和光学显微镜等设备，对低温冲击性能不合格的高强度风电拉铆钉进行低温冲击功、芯部硬度、金相组织和奥氏体晶粒度分析。结果表明，冷拉线材原材料球化退火过程中长时间高温加热，造成原材料奥氏体晶粒不均匀、混晶，导致拉铆钉热处理后低温冲击性能不合格。通过采用热轧棒料作为生产原材料以及调质热处理前进行正火预处理，可以提升高强度风电拉铆钉低温冲击性能关键词：拉铆钉；低温冲击功；晶粒度；混晶中图分类号：TB31;TM315文献标识码：A文章编号：16 7 3-497 1（2 0 2 3）0 5-0 0 3 2-0 3Cause Analysis on Unqualified Low Temperature Impact Performance ofWindPowerRivetsWEN Hua,WANG Xia,LI Xin-rong,ZHANG Wei(Meishan CRRC Fasterner Science&Technology Co.,Ltd.,Meishan Sichuan 620010,China)Abstract:The low temperature impact energy,core hardness,microstructure and austenite grain size ofthe high strength wind power rivet with unqualified low temperature impact performance were analyzed byimpact testing machine,spark direct reading spectrometer,Rockwell hardometer and optical microscope,etc.The results showed that prolonged high temperature heating during the spheroidizing annealing processof the cold drawn wire raw materials led to uneven austenite grain size and mixed crystal in the raw materi-als,resulting in unqualified low temperature impact performance of the rivet after heat treatment.The lowtemperature impact performance of high strength wind power rivet could be improved by using hot rolledbar as raw material and normalizing pretreatment before quenching and tempering heat treatment.Key words:rivet;low temperature impact energy;grain size;mixed crystal目前我国部分风力发电设备选用拉铆钉进行紧固连接，拉铆钉为组合件，包括拉铆钉和套环，通过铆接工具轴向拉伸铆钉，径向挤压套环，使套环内侧金属流动到拉铆钉锁紧槽中，形成永久性塑性变形连接。由于风电拉铆钉特殊的服役条件，用户对拉铆钉的强度及低温冲击韧性提出了较高的要求，风电领域中使用的某种高强度拉铆钉，其硬度要求为3239HRC，-40 冲击吸收功KV,27J,材料为42CrMo钢，规格为24mm，制造工艺为下料一温镦成型搓丝淬火高温回火表面处理成品。拉铆钉在热处理后进行力学性能检测，在相同热处理工艺且硬度范围为3 2 3 9HRC的条件下，对拉铆钉进行-40 低温冲击试验，部分批次拉铆钉低温冲击性能不满足技术要求，与正常值存在较大收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 6作者简介：文华（1994一），男，学士，工程师，主要从事金属热处理及理化分析工作。联系电话：18 990 3 2 97 3 9;E-mail：8 2 7 7 7 2 8 0 7 q q.c o m33文第5期华等：风电拉铆钉低温冲击性能合格原因分析差异。本文对拉铆钉低温冲击性能不合格的原因进行分析与研究，并提出相应的改进措施，避免类似质量问题发生。1检测分析1.1低温冲击功分别取冲击功合格与不合格批次的拉铆钉各3件，按照标准GB/T2292007金属材料夏比摆锤冲击试验方法进行检验，试样为10 mm10mm55mm夏比V型缺口，缺口深度为2 mm，-40 冲击吸收功检测结果见表1。1.2化学成分分析表1夏比V型缺口冲击吸收功（J）Table1Charpy V-noech impact absorption energy(J)试样KV2(-40)合格批次试样48/53/50不合格批次试样23/22/25分别取冲击功合格与不合格批次的拉铆钉各1件，采用电火花直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表2。结果表明，合格批次与不合格批次试样原材料的化学成分均符合标准GB/T30772015合金结构钢中对42 CrMo钢化学成分的要求，微量元素P、S的含量低于优质钢中对P、S元素的标准要求表2 试样化学成分（质量分数，%）Table 2Chemical composition of samples(mass fraction,%)试样及标准值CSiMnPSCrMo标准值0.38 0.450.17 0.370.50 0.800.0250.0250.9 1.20.15 0.25合格批次试样0.380.200.620.0100.0020.990.17不合格批次试样0.390.200.650.0120.0010.980.161.3硬度检测在冲击功合格与不合格的拉铆钉上截取试样，采用洛氏硬度计按标准CB/T3098.12010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱要求进行芯部硬度检测,结果见表3。结果表明冲击功合格与不合格拉铆钉硬度值均在3 2 3 9HRC范围内，符合技术要求。表3芯部洛氏硬度Table3CoreRockwell hardness试样批次试样编号硬度值/HRC1#36.2/35.9/35.7合格批次试样2#36.1/36.4/35.93#35.8/35.6/36.04#34.5/34.8/35.9不合格批次试样5#34.6/35.4/34.46#35.5/35.3/35.41.4金相组织分析取垂直于拉铆钉轴心线的纵向试样，经粗磨、精磨、抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用电子金相显微镜观察组织形貌，合格与不合格拉铆钉试样心部的金相组织如图1所示。由图1可知，合格与不合格拉铆钉试样的金相组织均为回火索氏体，回火组织均匀，与所用热处理工艺获得的该材料正常金相组织一致 2 ab（a)合格试样；(b)不合格试样图1试样金相组织50 0(a)qualified sample;(b)unqualified sampleFig.1Microstructure of samples1.5奥氏体晶粒度取垂直于拉铆钉轴心线的纵向试样，经粗磨、精磨、抛光、ET-01PLUS新型晶粒度侵蚀剂腐蚀后，采用电子金相显微镜观察奥氏体晶粒度，合格与不合格拉铆钉试样的奥氏体晶粒组织形貌如图2 所示。34.第44卷热处理技术与装备采用标准CB/T63942017金属平均晶粒度测定方法中截点法对试样奥氏体晶粒度等级进行评级，合格与不合格试样的平均晶粒度评级分别为9级、10级，但不合格试样的奥氏体晶粒组织出现严重不均匀、混晶现象，异常长大的晶粒为5 6 级。细晶能提高冲击性能，粗晶、混晶降低钢的冲击性能 3 。a(b)（a）合格试样；（b）不合格试样图2 试样奥氏体晶粒形貌2 0 0(a)qualified sample;(b)unqualified sampleFig.2Austenite grain morphology of samples2分析与讨论合格批次与不合格批次拉铆钉试样的化学成分均符合标准要求，芯部硬度也符合技术要求，金相组织与所使用热处理工艺获得的该材料正常金相组织一致。但奥氏体晶粒度检验结果表明，不合格批次试样的奥氏体晶粒存在严重不均匀、混晶现象，导致拉铆钉冲击性能降低。结合拉铆钉的加工工艺流程及原材料状态进行分析，合格与不合格批次拉铆钉的加工工艺流程及过程工艺参数完全一致；而原材料状态存在一定差异，合格批次所用原材料为热轧棒料，不合格批次所用原材料为冷拉线材。热轧材料生产工艺流程为：转炉冶炼一炉外精练一大方坏连铸一钢坏检验大方坏加热一开坏一检验钢坏加热高压水除磷控制轧制一控制冷却一检验；冷拉线材为满足紧固件冷镦变形要求，必须进行球化退火处理，冷拉线材生产工艺为：热轧盘条一酸洗磷化一拉拔一球化退火精拉一成品精线 4。冷拉线材在冷态拉拔过程中导致原奥氏体晶粒拉长、破碎，后续在球化退火过程中长时间高温加热，晶粒重新结晶并聚集长大，导致冷拉线材原材料出现奥氏体晶粒不均匀、混晶现象，粗大的奥氏体晶粒是造成冷拉线材制造拉铆钉的40 冲击吸收功不合格的主要原因。3结论与措施高强度风电拉铆钉-40 低温冲击吸收功不合格的主要原因是冷拉线材原材料奥氏体晶粒不均匀、混晶。因此，可以通过改善原材料奥氏体晶粒均匀性来提高拉铆钉低温冲击性能，具体措施如下：1）热轧棒料相较冷线材原材料具有更好的奥氏体晶粒均匀性及热处理后低温冲击性能，可采用42CrMo热轧棒料作为高强度风电拉铆钉原材料；2)正火处理可细化晶粒、均匀组织 5,可对冷镦线材原材料生产拉铆钉进行正火预处理后再进行调质处理，以改善拉铆钉低温冲击性能，经过正火预处理后拉铆钉的40 冲击吸收功由原来的2 2 2 5J提高至3 8 42 J,低温冲击性能提升效果显著。采取上述改善措施后，重新生产的高强度风电拉铆钉未再出现过此类质量问题。参考文献1李茂林，浦承皓，李禅，等.3 5VB钢高强度螺栓断裂失效分析 J.热加工工艺,2 0 17,46（18）：2 59-2 6 3.2韩克甲，赵晓辉，李洪伟.3 5CrMo钢高强度螺栓断裂失效分析 J.理化检验-物理分册，2 0 17,53（6）：43 4-436.3陈继林，刘振民，刘超，等.轧制工艺对高强度螺栓钢低温冲击性能的影响 J.金属热处理,2 0 17,42（1）：94-98.4王利军，吕彦新，阮士朋，等.初始组织对SCM435钢调质处理后力学性能的影响 J.材料热处理学报，2 0 19，40(6):117-122.5薄鑫涛，郭海祥，袁凤松，等.实用热处理手册M.上海：上海科学技术出版社，2 0 14：16.