1.概述
当前新能源风电机组用高强度紧固件无疑是一个巨大的市场。目前，国内风电机组上采用的紧固件大致有如下三类：
a .塔筒螺栓：即风力发电机塔座上使用的螺栓，主要使用的是GB/T 1228～1231、DIN6914～6916以及DAST等大六角头钢结构连接副螺栓。
b. 整机螺栓：即风力发电机上使用的螺栓，主要使用的是GB/T 5782、GB/T 5783、GB/T 70.1、GB/T 6170、GB/T 97等六角头螺栓、圆柱头内六角螺钉、六角螺母及平垫圈。
c. 叶片螺栓：即连接风力发电机叶片的螺栓，主要为一些产品的非标双头螺柱及T型圆螺母等。
风电机组用高强度紧固件种类多，材质特殊，且紧固件的特殊工况要求其必须具有较高的机械性能。螺栓均为10.9级,少数为12.9级；而螺母则为8级、10级；垫圈的硬度为35-45HRC，这些品种必须进行调质热处理，以达到产品规定的机械性能。
淬火加不同温度的回火或其他表面处理工艺，将赋予紧固件不同的使用性能。在一定条件下，原材料质量的优劣将影响热处理工艺参数的选择，且直接影响机组用高强度紧固件综合力学性能和使用安全。下面主要探讨原材料缺陷影响机组用紧固件品质的工艺因素。
2. 原材料缺陷影响的因素
2.1、外观质量
中碳钢和中碳合金钢棒料、线材应具有良好的表面质量，应圆整、光滑、无凹凸折叠、结疤裂纹、麻点等。如若磨光清除，则应满足钢材实际尺寸。外观缺陷将是引起热处理裂纹的起源，冷拔线材更不允许表面缺陷存在，且要求表面圆度误差在±0.03mm。
2.2、化学成分
合格的化学成分是保证中碳钢和中碳合金钢镦锻性能和热处理后力学性能的基础。对直径大于φ30mm的机组用高强螺栓，淬火后整个截面保证约90%获得马氏体组织；既要达到一定的淬硬层深度,又要保证淬透性。因此，要求钢材的化学成分达到标准的中上限为佳，且强化元素C、Cr、Mn、Mo等平均含量高于标准要求的中限值。
如GB/T3077-1999《合金结构钢》中42CrMoA钢，制造机组用高强螺栓时化学成分特殊要求见表1。
表1 42CrMoA钢化学成分特殊要求 (质量分数W，%)
当钢中有害元素P、S增加时，如S含量为0.04%时淬火后易产生裂纹。机组用高强度紧固件应选择高级优质钢材，P、S含量在标准中限制量为≤0.025%。针对化学成分特殊要求应对P、S两项相加不大于0.025%为优。
有些元素虽然是微量元素，但使钢的热处理规范大不相同，如炼钢时脱氧剂用Al则其微粒溶点高，在钢中起细化晶粒的作用，降低了过热敏感性，使钢成为细晶粒钢，提高热处理工艺性能。反之，用Si之类脱氧剂则会使钢的成为粗晶粒钢，使淬火过热敏感性增大。炼钢时每炉所含微量元素不同，其热处理工艺性能也不同，如含B很微量时，淬透性也大大增加。
2.3、低倍组织
钢中严重的低倍组织缺陷将导致钢材冷镦温锻时开裂。GB/T226-1991《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》，通过GB/T1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》，对中碳钢、中碳合金钢高级优质钢的中心疏松、一般疏松、方形偏析的允许级别在≤1.5级。对白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷不允许存在，这些缺陷都是热处理产生开裂的重要原因。一般来说，缺陷越严重，其淬火裂纹的倾向性越大。上述缺陷均存在于原材料之中，故在原材料进厂时必须严格检验。
可用剪、锯、切割等方法截取试样，切割时必须留出足够的加工余量，以保证去除热切割产生的热影响区及冷切割时产生的变形应力区。加工后的试样表面粗糙度Ra应不大于1.6μm ,冷酸浸蚀法不大于0.8μm,试面不得有油污和加工伤痕。必须指出的是，试样若无特别规定，均应在预先退火后再作酸浸低倍组织试验，硬化状态下的试样在热酸浸时会自行开裂。
酸浸低倍组织显示出不允许存在有的缺陷或超过标准允许范围时，则其他试验可不必进行。对于在生产过程中取样进行低倍组织检验时，如发现材料或产品有严重宏观缺陷时，可停止该批材料的加工与生产，避免造成更大的损失。
2.4、脱碳层深度
中碳钢和低合金钢在调质热处理过程中，脱碳层一方面会降低紧固件淬火后的表面硬度；另一方面可能导致淬火开裂。根据GB/T224-2008《钢的脱碳层深度测定法》，用金相法检测原材料的脱碳层，例42CrMoA钢，其含C量约0.40%时，退火态组织为50%珠光体+50%铁素体。机组用高强度紧固件钢材的脱碳层应不大于公称直径D 1%，为此要求高于钢材标准技术规范，应在供货中特别说明。
在检测时应区别原材料脱碳或热处理脱碳，以便提出正确控制方案，确保紧固件品质。
2.5、非金属夹杂物
非金属夹杂物在钢中主要以氧化物和硫化物的形式存在。根据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》标准，建议用A法（最恶劣视场评定），非金属夹杂物按JK图比对评定（A类硫化物、B类氧化铝、C类硅酸盐、D类球状氧化物和DS类单颗粒球状）。
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，产生淬火裂缝。因此，机组用高强度紧固件对夹杂物须严格控制，GB/T3077、GB/T6748标准中对夹杂物未做明确要求。C类（硅酸盐类）和D类（球状氧化物类）对热处理的影响最大，硅酸盐夹杂物应不大于1.5级，球状氧化物夹杂应不大于2级为佳；对氧化铝和硫化物夹杂物之和不大于3级。
分析夹杂物的试样比一般观察显微组织的试样要求高，因为夹杂物常规检查时试样表面是不经浸蚀的，抛光面不允许有水渍、污物、划痕等。特别应避免在磨光试样过程中嵌入磨料及抛光微粉造成假象和误判。对于风电用高强度紧固件钢材只分析夹杂物时，最好进行淬火处理，增加硬度有利于磨光抛光后获得光洁的试样表面和保留夹杂物。试样淬上火后可不经回火处理。
2.6、显微组织
中碳钢、中碳合金钢的原始状态和原始组织对淬火开裂的影响很大，它们的基本组织应该是铁素体+珠光体，我国对钢材的原始组织已有检验方法、评定方法。它们是GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》、GB/T13299-1991《钢的显微组织评定方法》，对铁素体+珠光体要求为2～4级，3级为优。
带状组织是指珠光体及铁素体的条带状分布，魏氏组织是指铁素体呈针状、网状分布，这种组织，既造成材料各向异性，又使磨后表面出现不均匀光带，以及切削加工及表面粗糙度变粗，带状组织0～2级合格使用，魏氏组织0～1.5级合格使用。
钢的晶粒度有实际晶粒度和本质晶粒度两种。奥氏体实际晶粒度是钢在具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体晶粒大小。
奥氏体实际晶粒大小，对钢的性能有明显影响。一般地说，无论是正火、退火或淬火和回火，奥氏体实际晶粒小的钢，最终性能均优于奥氏体实际晶粒大的钢。此外，奥氏体晶粒粗大，淬火时易于变形和开裂，因此当奥氏体化时，必须严格控制勿使晶粒粗化，对于机组高强度紧固件钢材晶粒度要求为6～8级。
因为粗大的奥氏体晶粒和严重的魏氏体组织存在或者未得到消除，重新淬火时，这些粗大组织将被“遗传”使得淬火马氏体组织粗大，脆性增大，同时，粗大的原始组织引发组织不均匀性增大，内应力增大都将导致淬火开裂。
在低合金钢中，淬火前原始组织中的珠光体的形态、数量和分布对淬火开裂的倾向有很大的影响，往往在不造成淬火开裂的情况下，也会使冲击吸收能量下降。为此，要求中碳钢、低合金钢材热轧或退火状态交货，未进行预先（软化）退火或未进行正确的球化（软化）退火常常是造成淬火开裂的重要原因之一。带状组织造成的淬火后出现软点、硬度不均，这种组织可以用正火消除。
片状珠光体与球状珠光体相比，在加热温度偏高时，易引起奥氏体长大。容易过热，所以对原始组织为片状珠光体的中碳钢、低合金钢，必须严格控制淬火加热温度和保温时间，否则将因工件过热导致淬火开裂。
生产中，常常产生重复淬火开裂现象，这是由于二次淬火前未进行中间退火或中间高温回火所致。未经退火而直接二次淬火重新加热时，奥氏体晶粒极易显著长大，引起过热。过热是引起淬火开裂的重要原因。
2.7、顶锻试验
顶锻试验分冷、热顶锻两种。冷顶锻试验是室温下检验钢材承受规定程度的顶锻变形能力，并显示其缺陷的一种试验方法。试样顶锻后主要缺陷包括裂纹、裂缝、折叠等，至少要保证普通级冷顶锻1/2合格；对机组用高强度螺栓和螺母应保证优质级冷顶锻1/3合格。
热顶锻试验则是实物在加热的情况下，承受规定程度的顶锻变形能力，企业应根据实际生产需要，选择热顶锻试验，试验后的试样高度为原试样高度的1/3，顶锻后试样上不得有裂口和裂缝，直径尺寸大于80mm的钢材，供货方若能保证合格可不进行试验。
3．结语
总之，中碳钢、低合金钢棒料、线材表面的折叠、发纹、夹杂物以及组织不良等都会导致镦锻时开裂，调质热处理后的不良品产生。为此，对于机组高强紧固件生产中应严加控制。
（作者： 张先鸣 冷水江天宝实业有限公司， 湖南 417500）