工程机械用高性能钢板的开发

　　目前，工程机械正在向大型化方向发展，为适应大型物件的吊装，日本已建造出200t以上吊装能力的大型起重机、自重300t以上的挖掘机和90t以上的翻斗汽车。在这种情况下，对工程机械用钢板提出了高强度、大厚度的要求。工程机械常会在超过设计疲劳强度的情况下进行工作，为此，日本开发出高疲劳强度钢制造技术，该技术通过抑制钢板中疲劳裂纹传播速度，提高了钢板的疲劳强度。此外，还利用超声波振动技术，细化表面晶粒和提高硬度。利用该技术处理后，疲劳寿命可提高10倍以上。目前该技术已应用在造船、桥梁等领域，不久将会在工程机械制造中得到广泛应用。

　　1工程机械用钢

　　1.1工程机械用普通钢板

　　工程机械底盘等基础结构部件主要采用抗拉强度为490MPa级的钢板，其中以400MPa级的低碳钢为主。对普通钢板的质量要求是钢板的外观质量和平坦度。目前对工程机械使用前的外观十分看重。特别是日本这种倾向十分明显。工程机械外观涂装膜要薄并且还要保证涂装的鲜艳美观。涂装后钢板表面状态仍然十分明显，因此，不允许钢板有瑕疵和麻坑。这对钢板生产提出了严格控制表面质量的要求。钢板的平坦度会影响到装配精度。因此，不仅对钢板的原始平坦度有要求，而且还要求切断后钢板形状不变坏。此外，为了提高切断精度和切断效率，目前采用激光切断代替火焰切断的情况逐渐增加，因此要求钢板具有激光易切断性。

　　超大型工程机械的底盘也使用250mm厚的特厚钢板，在工程机械制造过程中对这种特厚钢板很难进行矫平，所以要求钢厂交货时必须保证特厚钢板具有良好的平坦度。此外，为减少焊缝还要求采用4m以上宽度的钢板或单重20t以上的钢板。

　　1.2工程机械用高强度钢板

　　除了上述的普通钢板，液压挖掘机的工作部、吊车和混凝土泵车的悬臂等部件轻量化的要求日益增长。这些上部结构的轻量化，会使整个工程机械设备轻量化，从而提高工作效率，并且可以提高吊车的起重能力。目前吊车悬臂用钢是780MPa级钢和950MPa级钢，1180MPa级钢也得到应用。

　　工程机械用的上述强度级别钢板并没有纳入日本JIS标准，这些钢板生产采用的是各钢铁厂自己的标准或是工程机械制造厂与钢铁厂签订的特别技术条件。日本钢铁联盟对起重机结构用钢进行了分类，但这种分类并不是标准。表1和表2分别是起重机结构用钢分类（摘要）和新日铁住金高强度钢的牌号。

表1   起重机结构用钢板分类（摘要）

注：1 碳当量计算公式是Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。

    2  弯曲试验的弯曲角度均为180°，弯曲试样均为JIS 1号。经供需双方协商，可不进行弯曲试验。

    3 厚度≤8mm时，弯曲试样可为JIS 3号。

表2  高强度钢板技术条件示例

　　过去一般情况下，590MPa级以上的高强钢是在轧制后进行再加热淬火和回火的调质处理，使钢板具有足够的强韧性。最近采用了将控制轧制和加速冷却组合的TMCP工艺生产，不再进行离线淬火回火。TMCP有许多不同的工艺方法，例如590MPa级钢板就有通过低温控轧使TiC析出强化的非调质型钢板和只进行控制轧制和加速冷却，省略离线回火的钢板。这些工艺比传统工艺生产效率高，并且钢板的焊接性优良。抗拉强度950MPa级和1180MPa级高强度钢板的基本组织是回火马氏体和下贝茵体。为实现钢的高强度，除了对钢进行组织控制，还利用了析出强化和细晶强化等强化机制。其中通过轧制和热处理对Mo2C和Nb（CN）等微细析出物进行控制的微合金化技术是实现析出强化和细晶强化的重要技术。在组织调控方面，过去采用的工艺是热轧后进行再加热淬火-回火热处理（RQ-T），上世纪80年代后开发出TMCP技术，因此改变为省略再加热淬火的直接淬火-回火热处理（DQ-T），利用该工艺可以减少合金元素用量和缩短生产周期。而合金元素的减量有利于焊接性的改善和降低焊接预热温度。在钢的韧性方面，钢的强度越高，应力越大，脆性断裂的危险性越大。因此，对高强钢提出低温韧性的要求。由于TMCP的细晶效果和炼钢技术的进步降低了钢中夹杂物含量和偏析程度，已经可以生产出高强度、高韧性钢板。

　　在钢板外观方面，外观质量日益受到重视，对于起重机悬臂来说，为避免应力集中，也要求对钢板表面瑕疵进行严格控制。

　　在钢板平坦度方面，为使起重机悬臂伸缩时具有良好的抽动性，以及保证焊接坡口精度，要求对薄钢板的平坦度进行严格控制。

　　使用的高强钢大多要经过弯曲加工，因此高强钢板的弯曲性十分重要。钢板强度越高，伸长率越小，弯曲越困难。对高强钢板来说，要求2倍厚度的弯曲半径，对于更高强度的1180MPa级钢板，弯曲半径可以更大一些。

　　工程机械的厚钢板部件一般比较小，焊缝比较短。焊接方法主要是二氧化碳气体保护焊的角焊。近来正在推进机械手自动化焊接，因此，钢板不预热、易于焊接是很重要的。起重机悬臂的焊缝长度超过10m，是工程机械中唯一例外的长焊缝部件。过去采用将4片钢板角焊成方形断面悬臂的方法制造，最近采用的方法是将钢板制作成コ形或弯曲成U形，再用一片钢板组合、焊接制造成悬臂。这些方法都要求开发出焊接后强韧性好、易焊接钢板。

　　1.3工程机械用耐磨钢板

　　推土机刮板、翻斗汽车的车厢（载荷部分）、挖掘机和轮胎式装载机的铲斗在工作中受到土砂、岩石的冲击，是受磨损部件，为实现部件轻量化和减少部件更换次数，要求采用比普通钢板磨损量小的耐磨钢板。

　　钢板的耐磨性与钢板的表面硬度有很大关系，一般来说，钢板的硬度越大，耐磨性越好。因此，常常根据钢板的表面硬度来确定耐磨等级。通常采用布氏硬度试验方法测定钢板的表面硬度。耐磨钢尚未纳入日本正式标准，各钢铁厂自行制定了企业标准，表3是新日铁住金耐磨钢的企业标准示例。使用量最大的是HB400级耐磨钢，其用量约占耐磨钢总量的70%。此外，根据用途的不同，也使用HB450、HB500级钢，甚至HB600级钢。

　　简便经济的提高钢板硬度的方法是通过淬火形成马氏体组织。马氏体的硬度由钢的碳含量决定，对于耐磨钢一般只有表面硬度要求，由于要保证耐磨性，也要求钢板内部具有高硬度。为此，需要根据板厚调整钢的淬透性。钢的淬透性指标是淬透性指数（DI），如（1）式所示。根据该公式对于不同的硬度级别和板厚，可以适当添加Cr、Mn、Mo、B 等提高淬透性元素。其中添加B对于提高淬透性具有显著效果，因此，耐磨钢中常添加B。

　　淬透指数DI（英寸）=

　　DICC（1+0.86Si）（1+3.3Mn）（1+2.3Cr）（1+0.36Ni）（1+3.2Mo） （1）

　　式中：各元素表示的是重量百分数；DIC是C和奥氏体晶粒度的函数。

　　碳和其他合金元素含量增加时，会导致钢的焊接性下降。特别对于HB500级以上的耐磨钢，有时会产生延迟断裂。延迟断裂是钢板在焊接时或钢板使用过程中产生的氢引起的开裂现象。延迟断裂受钢板的延迟断裂敏感性、焊接残余应力和工作的外部应力、扩散性氢含量等3个因素的影响。当焊接残余应力大时，特别要防止钢板表面腐蚀引起的氢渗入。近年来，开发出通过组织调控手段降低延迟裂纹敏感性的耐磨钢板。对于延迟裂纹敏感性大的HB600级钢板有时也采用螺栓紧固连结的方法，避免了焊接。此外，采用奥氏体焊接材料可以减少氢渗入，也具有抑制延迟断裂的效果。

　　工程机械在工作中会受到相当大的冲击，因此对于在寒冷地区使用的工程机械用钢板要求具有良好的韧性。一般情况下，随着钢板硬度的增加，韧性会有所下降，，但通过添加合金元素和组织调控也可以制造出高韧性的耐磨钢板（见表3）。

表3   新日铁住金耐磨钢的企业标准示例

　　与高强度钢板一样，近来在耐磨钢板的制造中也采用了直接淬火工艺。采用该工艺可以减少合金元素用量、有利于改善焊接性，并可以降低焊接预热温度。

　　2工程机械用焊接材料

　　高强钢板通过焊接方法组合成结构部件。在工程机械设计中，要求高强度钢用焊接材料与钢材具有相等的强度。抗拉强度大于780MPa级高强钢焊接结构件，在焊接时会出现裂纹。因此，对高强钢的焊接应予以特别注意。

　　低温焊接裂纹是焊接区出现硬化组织、焊接区有扩散性氢以及焊接区受到拘束应力等3个因素叠加而产生的。防止低温焊接裂纹的一般方法是焊接前进行预热，以促进扩散性氢的排除和抑制焊接组织的硬化。防止低温焊接裂纹的预热温度是多少，对于焊接是十分重要的。防止低温焊接裂纹的预热温度的计算方法可以用CEN图（见图1）来估算，CEN是（2）、（3）式表示的碳当量（CEN），可作为钢成分的裂纹敏感性指标，使用CEN图时还要考虑到板厚、焊接方法、扩散性氢含量、焊接线能量等因素。

　　CEN（%）=C+A（C）[Si/24+Mn/6+Cu/15+Ni/20 （2）

　　A（C）=0.75+0.25tanh{20（C-0.12）} （3）

　　例如，CEN为 0.4%，板厚为30mm的高强钢板，根据图1可推定预热温度为100℃（扩散性氢含量Hd=5ml/100g、线能量1.7kJ/mm，环境温度10℃时。）

　　是否容易产生低温焊接裂纹与扩散性氢含量、焊接线能量和环境温度有很大关系。一般来说，强度越高，钢中的合金元素含量就越多，CEN值就越大，相应的预热温度就越高。因此，为降低预热温度，应尽量降低钢的CEN值。

　　工程机械制造中常用的焊接方法是二氧化碳气体保护焊，常用的焊接材料是实心焊丝。为尽量减少焊接时氢的渗入，应严格控制在焊丝上润滑油的涂敷量。即使这样，在焊接抗拉强度≥780MPa级的厚钢板时仍需进行预热。因此，迫切需要开发可降低预热温度的焊丝。

　　除此之外，在现场焊接时，需要进行各种位置的焊接，并且可能产生飞溅，因此需要开发出可全方位焊接的、飞溅小的高效焊丝。新日铁住金焊接公司开发出780MPa级厚钢板用全方位小飞溅的药芯焊丝SF-80A。一般来说，药芯焊丝容易增加焊缝金属中的扩散性氢含量，用药芯焊丝焊接高强钢时需进行预热，所以药芯焊丝一般不用于高强钢的焊接。新日铁住金焊接公司在焊丝中填充熔剂后用高频焊接方法将焊丝外皮焊合，使熔剂完全封闭起来制成无缝药芯焊丝。利用这种方法可以对焊丝进行高温脱氢处理，使焊缝金属低氢化，降低预热温度。此外，药芯焊丝的焊道外观良好，涂装后外表美观。

　　3提高抗疲劳性技术

　　挖掘机等工程机械常常会在超过设计疲劳强度的情况下工作，由于设备的反复使用，会产生疲劳裂纹。为此，对防止疲劳裂纹的措施进行了许多研究。目前熟知的方法有砂轮磨光焊趾，减少应力集中的方法和喷丸处理缓解焊趾残余应力的方法。此外，在钢板方面也开发出若干提高疲劳强度的新技术。

　　其中一项是高疲劳强度钢制造技术，该技术通过抑制钢板中疲劳裂纹传播速度，提高了钢板的疲劳强度。此外，还有UTT技术，利用超声波振动通过金属针头对焊趾进行连续冲击，增加焊趾的曲率，减少应力集中并对焊趾附加压缩应力，同时还有细化处理部位表面的晶粒和提高硬度的效果。该技术操作简便，利用该技术处理后，疲劳寿命可提高10倍以上。目前UTT技术正在造船、桥梁等领域扩大应用，不久会在工程机械制造中得到应用。

　　在利用焊接材料提高焊接部疲劳强度方面，开发出LTT（低温转变）焊接材料。普通焊接材料焊接时，在焊缝金属或焊趾部位会产生残余应力，使疲劳强度降低。LTT焊接材料的Ms点降低到350℃，在马氏体转变体积膨胀时，对焊缝金属和焊趾附加残余压缩应力，提高了焊接部的疲劳强度。

信息来源：《世界金属导报》