對于在不同氣候條件下，用于固定風電塔筒緊固件的性能要求不達標問題逐步顯現出來。內蒙古西部地區的風沙較大，風沙侵蝕也較嚴重，風電塔筒緊固件就常常達不到強度、硬度等綜合性能的要求。
本文針對風電塔筒緊固件在大風沙地區的使用環境下，42CrMo鋼高強螺栓的綜合性能達不到要求這一問題，從調整42CrMo鋼高強螺栓熱處理工藝參數淬火加熱時的碳勢、淬火冷卻時的水溶性淬火劑濃度和回火溫度入手，通過測定高強螺栓經熱處理后的力學性能和掃描電鏡顯微組織分析等措施，最大限度地提高42CrMo鋼的綜合性能，以滿足用于高強螺栓的42CrMo鋼在特定使用環境下的高要求。
試驗材料及方法
（1）試驗材料
試驗原材料是國內某鋼廠生產的φ40mm雙真空冶煉鋼棒料，該材料經復驗后得到的化學成分如表1所示。
（2）試驗方法
高強螺栓的加工過程是將φ40mm的棒料經粗車→沖壓→縮頸→退火→攻螺紋→淬火→回火→性能測試→高強螺栓。其中淬回火工序在托輥型網帶爐生產線上進行，具體工藝為：將托輥型網帶爐生產線的網帶淬火爐升溫至400℃，保溫1h，繼續升溫到600℃，保溫1h，當溫度升高到800℃，開始通入甲醇和丙酮作為保護氣氛，以免高強螺栓表面脫碳及網帶淬火爐爐膛被氧化，保溫1h，繼續升溫到860℃并穩定在這一溫度，當碳勢穩定在0.4時，開始放入待加工工件高強螺栓，保溫1.5h（本試驗高強螺栓的直徑為36mm，所以保溫時間為1.5h），出爐用水溶性淬火劑進行冷卻，然后在指定回火溫度下回火，保溫2h（同樣，利用高強螺栓的直徑為36mm，確定出回火保溫時間為2h），出爐水冷。本文采用正交試驗設計出三個熱處理工藝參數的影響因素，通過正交試驗以期找到它們之間的交互影響，確定出各因素的最佳參數。
試驗結果及分析
利用正交試驗設計出42CrMo鋼高強螺栓進行熱處理時的碳勢、水溶性淬火劑和回火溫度3個參數因素及其3個水平，見表２。
表２ 試驗因素-水平表
因素水平 | 碳勢（%） | 水溶性淬火劑（%） | 回火溫度/℃ |
1 | 0.2 | 1～6 | 520 |
2 | 0.4 | 6～12 | 530 |
3 | 0.6 | 12～18 | 540 |
根據3個參數因素及其3個水平，利用正交試驗設計為9組試驗來進行。表３為42CrMo鋼高強螺栓在不同熱處理工藝參數下對力學性能影響的試驗結果，表中所有數據均取3～8個試樣的平均值。
表３ 不同熱處理工藝下的試驗結果
由表3可知，當水溶性淬火劑濃度分別為1%～6%、6%～12%和12%～18%，回火溫度分別為520℃、530℃和540℃時，42CrMo鋼高強螺栓的σb分別為1158MPa、1170MPa和1160MPa，σ0.2分別為1044MPa、1052MPa和1046MPa，δ5分別為13.3%、14%和12.7%，AKU分別為84J、88J和87J，Ψ分別為48.3%、51%和49.3%。可以看出，42CrMo鋼的力學性能隨著熱處理參數水溶性淬火劑濃度和回火溫度的升高，呈先上升后下降的趨勢，故當水溶性淬火劑濃度為6%～12%，回火溫度為530℃時，42CrMo鋼高強螺栓的性能σb為1170MPa，σ0.2為1052MPa，δ5為14%，AKU為88J，Ψ為51%，達到了最大值，其綜合性能也最好。同時，研究表明，42CrMo鋼高強螺栓在淬火加熱過程中的碳勢主要起保護氣作用，抑制高強螺栓的表面脫碳和阻止托輥型網帶淬火爐爐膛的氧化，一般碳勢控制在0.4左右為宜，對高強螺栓的組織和性能影響不大。
（1）不同熱處理工藝參數對42CrMo鋼顯微組織的影響
附圖為42CrMo鋼分別在第一組、第五組和第九組熱處理工藝參數下的顯微組織圖。圖中的明亮基體均為馬氏體組織，不規則顆粒或條狀組織為貝氏體和鐵素體，其中黑色的基體為板條馬氏體組織，較為明亮的為貝氏體組織，亮點是未溶碳化物或貝氏體組織端部與觀察面相截的結果，而鐵素體上的亮點（如右箭頭所指）是轉變過程中析出的碳化物。
（a）第一組
（b）第五組
（c）第九組
42CrMo鋼在三組熱處理工藝下的顯微組織
附圖中的貝氏體組織均為無碳貝氏體，但在形態上存在很大差別。圖a和圖c中已有常見的無碳貝氏體組織，但更多是針片狀，且分布不均勻，存在偏析現象。而圖b中，在碳勢（0.40）、水溶性淬火劑濃度（6%～12%）和回火溫度530℃熱處理工藝參數下，42CrMo鋼的貝氏體組織多為粒狀且有相鄰貝氏體組織相互銜接現象，這表明無碳貝氏體形成的早期不是通常所見的粒狀，而是多為針狀，且分布均勻，這是因為在晶界處存在較高的能量和成分起伏，有利于貝氏體鐵素體形核。圖a和圖c中無碳貝氏體生長不充分，形成了明顯的由晶界處向晶內平行生長的束狀的貝氏體鐵素體。
無碳貝氏體的形成，主要是由于42CrMo鋼在適當濃度的水溶性淬火劑中淬火冷卻時，碳在鐵素體和奧氏體中的擴散能力都較強，當貝氏體鐵素體形核后，其過飽和碳能夠快速地擴散出去，而且能夠長距離擴散到奧氏體中，這樣就保證了在貝氏體鐵素體生長時和長成后,其內沒有碳化物析出。同時也表明了貝氏體鐵素體周圍奧氏體的碳含量不過高，否則就會有碳化物析出，使其長生受阻。所以在適當的碳勢、水溶性淬火劑濃度和回火溫度等熱處理工藝參數下，42CrMo鋼的組織更加細化、均勻化，綜合性能也更優。
（2）水溶性淬火劑對42CrMo鋼力學性能的影響
淬火冷卻速度是由水溶性淬火劑的濃度決定的，濃度越低，淬火冷卻速度就越快，當水溶性淬火劑的濃度為1%～6%時，淬火冷卻速度過快，馬氏體組織轉變不夠充分，42CrMo鋼組織中容易產生偏析，畸變等缺陷；而濃度為6%～12%時，淬火冷卻速度適中，這就給馬氏體轉變提供了足夠的時間，因此也有效減少了工件淬火時產生畸變、開裂等缺陷的機會，組織更均勻化，綜合性能也更好；當水溶性淬火劑的濃度繼續升高時，淬火冷卻速度過慢，造成馬氏體變得粗大，使其力學性能降低。
（3）回火溫度對42CrMo鋼力學性能的影響
由圖1和表2可看出，在不同熱處理工藝參數下，42CrMo鋼高強螺栓淬火后的力學性能隨回火溫度的變化規律具有一致性。其強度、硬度、塑性和韌性取決于組成相的性質和含量， 即取決于馬氏體和鐵素體的強度、硬度、塑性、韌性及其所占體積百分比。在不同溫度回火后，其性能仍取決于馬氏體回火組織和鐵素體的性能。故42CrMo鋼組織在同一臨界區溫度加熱淬火后力學性能隨回火溫度的變化規律一致。
硬度是表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力，它是金屬材料的重要性能指標之一。硬度試驗是力學性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的，硬度值越高，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，但是，當硬度達到一定值時，42CrMo鋼的脆性增加，其斷面收縮率Ψ、沖擊功AKU和伸長率δ5開始下降，就達不到使用要求。
由表2可知，隨著熱處理參數水溶性淬火劑濃度和回火溫度的升高，呈先上升后下降的趨勢，當回火溫度為530℃時，其組織和性能最好，這是因為低溫回火時，馬氏體、鐵素體二相強度差別大，易引起應力集中和偏析現象，致使組織不能均勻化，性能也達不到要求。而42CrMo鋼高強螺栓在530℃回火時，二相強度差別減小，有利于改善應力分布和組織的均勻化。當回火溫度過高時，42CrMo鋼高強螺栓的組織的脆性過高，導致部分力學性能達不到要求，所以回火溫度為530℃時，其綜合力學性能最好。
（4）回火溫度對42CrMo鋼顯微組織的影響
42CrMo鋼高強螺栓經淬火后回火，回火溫度對它們的顯微組織的影響規律是一致的，組織都經歷了從粗大到細小的變化過程。淬火后不同回火過程主要是淬火組織應力的消除、組織的穩定化和基體組織碳化物析出過程。520℃回火時，組織為回火馬氏體、未溶鐵素體以及少量的殘留奧氏體，低溫回火時析出的碳化物較細小。隨回火溫度的升高，碳原子不斷析出，形成碳化物，先析出的碳化物不斷長大，形成回火屈氏體，到530℃時，碳化物繼續長大并且粒狀化，馬氏體轉變為鐵素體組織，形成回火索氏體和未溶鐵素體，此時鋼的強度、硬度下降，塑性以及沖擊韌度有較大幅度提高。
結語
（1）適當的水溶性淬火劑濃度和回火溫度等熱處理參數使42CrMo鋼高強螺栓的組織得到了細化、均勻化，其綜合性能也得到了很大的提高。
（2）42CrMo鋼高強螺栓經第五組熱處理（加熱860℃保溫1.5h（碳勢0.40）+水溶性淬火劑（6%～12%）冷卻+530℃回火保溫2h+水冷）后的組織均勻化、細化，綜合性能也最好。
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