一种用于风电紧固件的钢材及其制备方法
技术领域
本发明涉及炼钢领域，具体涉及一种用于风电紧固件的钢材及其制备方法。
背景技术
目前，近年来，我国风电行业尤其是大容量的兆瓦级别大型风力发电机组得到迅速发展，风电紧固件是风力发电机组主要连接部件，在风电机组中，大量使用高强度螺栓的连接，它占用风电机组零部件的22％左右。变桨轴承与轮毂、变桨轴承与叶片、轮毂与发电机主轴、主机架与偏航轴承、主机架与发电机机架、主轴承与主机架、齿轮箱弹性支撑座与主机架、塔架与偏航制动盘、塔筒与塔筒等均采用高强度螺栓以及在所有的关键连接部件均通过高强度螺栓进行连接其包括电气元器件的连接。风电机组高强度螺栓紧固件的质量受原材料影响较大，其中力学性能、晶粒度尤其要求稳定。
如CN110643881A公开了一种大规格风电紧固件用钢，其元素组成以质量百分比计含有：C：0.38-0.45％、Si：0.20-0.35％、Mn：0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：0.95-1.20％、Mo：0.18-0.30％、Ni：0.10-0.25％、Nb：0.02-0.08％、Al：0.020-0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；热处理后该钢的心部具有90％以上的马氏体组织，心部表面硬度差异小，尤其低温冲击性能较为优异，具有较好的力学性能，拉伸性能满足10.9级强度要求，可满足用户对48mm-65mm大规格风电紧固件用钢的加工使用要求。
如CN109402320A公开了一种高纯净度风电紧固件的制备方法，包括如下步骤：(1)转炉冶炼：终点控制C质量百分含量≥0.06％或出钢TSO氧位≤400ppm，出钢温度≥1560℃；(2)转炉出钢：a、底搅；b、下渣；(3)脱氧合金化：出钢前期加入增碳剂进行预脱氧，再顺序加入合金、脱氧剂及渣料，脱氧合金化过程保持全程吹氩；(4)LF处理：控制钢中夹杂物质量百分含量：CaO为50-60％，Al2O3为15-25％，终渣碱度控制在3-6，供电冶炼过程采用SiC、铝粒、硅铝钙、脱氧造渣剂进行复合扩散脱氧，确保TFe和MnO总体质量百分含量≤1％；(5)RH处理：真空度控制在2.5毫巴以下并保持0-5min，高真空保持时间≥8min，喂铝线1-2min后进行钙处理，钙处理后软吹10min以上；(6)连铸。
然而目前现有技术中的紧固件仍存在力学性能不达标，使用寿命短等问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于风电紧固件的钢材及其制备方法，通过对钢材的化学成分的调控，改善棒材内部组织包含晶粒度、带状、夹杂物等，显著稳定棒材热处理后的性能、硬度，使得得到的钢材具有良好的组织性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于风电紧固件的钢材，所述钢材中以质量百分含量计包括：
C 0.4-0.42％，Mn 0.72-0.76％，Cr 1.12-1.16％，Mo 0.21-0.23％，Ni 0.1-0.14％，Al 0.02-0.05％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
本发明提供的钢材通过对化学成分的调控，改善棒材内部组织包含晶粒度、带状、夹杂物等，显著稳定棒材热处理后的性能、硬度，使得得到的钢材具有良好的组织性能。通过引入本领域中作为杂质控制的Ni元素，并调整Ni的含量控制晶粒度和带状及夹杂物，使得所得钢材具有良好的硬度和力学性能。
本发明中，所述用于风电紧固件的钢材中C以质量百分含量计为0.4-0.42％，例如可以是0.4％、0.402％、0.404％、0.406％、0.408％、0.41％、0.412％、0.414％、0.416％、0.418％或0.42％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
本发明中，所述用于风电紧固件的钢材中Mn以质量百分含量计为0.72-0.76％，例如可以是0.72％、0.73％、0.74％、0.75％或0.76％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
本发明中，所述用于风电紧固件的钢材中Cr以质量百分含量计为1.12-1.16％，例如可以是1.12％、1.13％、1.14％、1.15％或1.16％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
本发明中，所述用于风电紧固件的钢材中Mo以质量百分含量计为0.21-0.23％，例如可以是0.21％、0.0212％、0.214％、0.216％、0.218％、0.22％、0.222％、0.224％、0.226％、0.228％或0.23％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
本发明中，所述用于风电紧固件的钢材中Ni以质量百分含量计为0.1-0.14％，例如可以是0.1％、0.11％、0.12％、0.13％或0.14％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
本发明中，所述用于风电紧固件的钢材中Al以质量百分含量计为0.02-0.05％，例如可以是0.02％、0.03％、0.04％或0.05％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述钢材中的带状级别≤2级，例如可以是2级、1.5级、1级或0.5级等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述钢材中奥氏体晶粒度≥7.5级，例如可以是7.5级、8级、8.5级、9级或9.5级等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述钢材中的夹杂物K3≤20，例如可以是20、18、16、14、12、10、8、6、4或2等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述钢材的制备方法，所述制备方法包括：
对高炉铁水依次进行转炉炼钢、脱氧合金化、精炼、连铸、加热和轧制得到所述钢材；
其中，所述脱氧合金化中加入氧化铝质量含量≥35％的精炼渣；所述精炼包括依次进行的LF精炼和VD真空精炼；所述VD真空精炼开始时加入Ni材料。
本发明提供的制备方法，通过在特定的工序加入Ni材料使得奥氏体晶粒度可以稳定在一定的范围，从而提升钢材的性能。
本发明中，所述脱氧合金化中加入氧化铝质量含量≥35％的精炼渣，例如可以是35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％或43％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述精炼中精炼渣系的碱度为8-10，例如可以是8、8.2、8.4、8.6、8.8、9、9.2、9.4、9.6、9.8或10等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述精炼中精炼渣系的氧化铝质量百分含量≥35％，例如可以是35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％或43％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述精炼中夹杂物K3≤20，例如可以是20、18、16、14、12、10、8、6、4或2等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述连铸中的过热度≤35℃，例如可以是35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃或5℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述连铸中的浇注速度为1-2m/min，例如可以是1m/min、1.1m/min、1.2m/min、1.3m/min、1.4m/min、1.5m/min、1.6m/min、1.7m/min、1.8m/min、1.9m/min或2m/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述轧制中对冷坯依次进行预热、加热和均热。
作为本发明优选的技术方案，所述预热的温度≤850℃，例如可以是850℃、800℃、750℃、700℃、650℃、600℃、550℃、500℃、450℃、400℃、350℃或300℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述预热的时间≥100min，例如可以是100min、110min、120min、130min、140min、150min或160min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述加热的温度为1140-1235℃，例如可以是1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃、1230℃或1235℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述加热的时间≥80min，例如可以是80min、90min、100min、110min或120min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述均热的温度为1170-1220℃，例如可以是1170℃、1180℃、1190℃、1200℃、1210℃或1220℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述均热的时间≥80min，例如可以是80min、90min、100min、110min、120min、130min或140min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述轧制的开轧温度为1080-1120℃，例如可以是1080℃、1090℃、1100℃、1110℃或1120℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地，所述轧制的终轧温度为960-1020℃，例如可以是960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1010℃或1020℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的组合同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括：
对高炉铁水依次进行转炉炼钢、脱氧合金化、精炼、连铸、加热和轧制得到所述钢材；
其中，所述脱氧合金化中加入氧化铝质量含量≥35％的精炼渣；所述精炼包括依次进行的LF精炼和VD真空精炼；所述VD真空精炼开始时加入Ni材料；所述精炼中精炼渣系的碱度为8-10；所述精炼中精炼渣系的氧化铝质量百分含量≥35％；所述精炼中夹杂物K3≤20；所述连铸中的过热度≤35℃；所述连铸中的浇注速度为1-2m/min；所述轧制中对冷坯依次进行预热、加热和均热；所述预热的温度≤850℃；所述预热的时间≥100min；所述加热的温度为1140-1235℃；所述加热的时间≥80min；所述均热的温度为1170-1220℃；所述均热的时间≥80min；所述轧制的开轧温度为1080-1120℃；所述轧制的终轧温度为960-1020℃。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的钢材通过对化学成分的调控，改善棒材内部组织包含晶粒度、带状、夹杂物等，显著稳定棒材热处理后的性能、硬度，使得得到的钢材具有良好的组织性能。通过调整Ni的含量控制晶粒度和带状及夹杂物，使得所得钢材具有良好的硬度和力学性能。通过在特定的工序加入Ni材料使得奥氏体晶粒度可以稳定在一定的范围0.1-0.14％，从而提升钢材的性能。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供了一种用于风电紧固件的钢材，所述钢材中以质量百分含量计包括：
C 0.41％，Mn 0.724％，Cr 1.14％，Mo 0.22％，Ni 0.12％，Al 0.04％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
采用下述方法进行制备：
对高炉铁水依次进行转炉炼钢、脱氧合金化、精炼、连铸、加热和轧制得到所述钢材；
其中，所述脱氧合金化中加入氧化铝质量含量为35％的精炼渣；所述精炼包括依次进行的LF精炼和VD真空精炼；所述VD真空精炼开始时加入Ni材料；所述精炼中精炼渣系的碱度为9；所述精炼中精炼渣系的氧化铝质量百分含量为35％；所述精炼中夹杂物K3为20；所述连铸中的过热度为35℃；所述连铸中的浇注速度为1.5m/min；所述轧制中对冷坯依次进行预热、加热和均热；所述预热的温度为850℃；所述预热的时间为100min；所述加热的温度为1200℃；所述加热的时间为80min；所述均热的温度为1200℃；所述均热的时间为80min；所述轧制的开轧温度为1100℃；所述轧制的终轧温度为990℃。
所得钢材的性能详见表1。
实施例2
本实施例提供了一种用于风电紧固件的钢材，所述钢材中以质量百分含量计包括：
C 0.4％，Mn 0.72％，Cr 1.16％，Mo 0.23％，Ni 0.14％，Al 0.02％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
采用下述方法进行制备：
对高炉铁水依次进行转炉炼钢、脱氧合金化、精炼、连铸、加热和轧制得到所述钢材；
其中，所述脱氧合金化中加入氧化铝质量含量为38％的精炼渣；所述精炼包括依次进行的LF精炼和VD真空精炼；所述VD真空精炼开始时加入Ni材料；所述精炼中精炼渣系的碱度为8；所述精炼中精炼渣系的氧化铝质量百分含量为39％；所述精炼中夹杂物K3为10；所述连铸中的过热度为30℃；所述连铸中的浇注速度为1m/min；所述轧制中对冷坯依次进行预热、加热和均热；所述预热的温度为800℃；所述预热的时间为200min；所述加热的温度为1235℃；所述加热的时间为100min；所述均热的温度为1170℃；所述均热的时间为120min；所述轧制的开轧温度为1120℃；所述轧制的终轧温度为960℃。
所得钢材的性能详见表1。
实施例3
本实施例提供了一种用于风电紧固件的钢材，所述钢材中以质量百分含量计包括：
C 0.42％，Mn 0.76％，Cr 1.12％，Mo 0.21％，Ni 0.1％，Al 0.05％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
采用下述方法进行制备：
对高炉铁水依次进行转炉炼钢、脱氧合金化、精炼、连铸、加热和轧制得到所述钢材；
其中，所述脱氧合金化中加入氧化铝质量含量为40％的精炼渣；所述精炼包括依次进行的LF精炼和VD真空精炼；所述VD真空精炼开始时加入Ni材料；所述精炼中精炼渣系的碱度为10；所述精炼中精炼渣系的氧化铝质量百分含量≥37％；所述精炼中夹杂物K3为5；所述连铸中的过热度为15℃；所述连铸中的浇注速度为2m/min；所述轧制中对冷坯依次进行预热、加热和均热；所述预热的温度为500℃；所述预热的时间为150min；所述加热的温度为1140℃；所述加热的时间为90min；所述均热的温度为1220℃；所述均热的时间为100min；所述轧制的开轧温度为1080℃；所述轧制的终轧温度为1020℃。
所得钢材的性能详见表1。
表1
抗拉强度
屈服强度
伸长率
断面收缩率
冲击功(-40℃)
实施例1
1081MPa
976MPa
51％
13％
45-48J
实施例2
1123MPa
981MPa
52％
12％
72-76J
实施例3
1092MPa
963MPa
55％
13％
64-66J
通过上述实施例结果可知，本发明提供的钢材通过对化学成分的调控，改善棒材内部组织包含晶粒度、带状、夹杂物等，显著稳定棒材热处理后的性能、硬度，使得得到的钢材具有良好的组织性能。通过调整Ni的含量控制晶粒度和带状及夹杂物，使得所得钢材具有良好的硬度和力学性能。通过在特定的工序加入Ni材料使得奥氏体晶粒度可以稳定在一定的范围，从而提升钢材的性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
