建筑工程機(jī)械用鋼的開發(fā)特點(diǎn)分析

據(jù)了解，近年來，隨著能源需求增加和新興國家工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的加快，建筑工程機(jī)械制造業(yè)得到了迅速發(fā)展。相應(yīng)地，對(duì)建筑工程機(jī)械用鋼的需求呈現(xiàn)出大幅度增加的趨勢(shì)。雖然最近由于世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展減速導(dǎo)致建筑工程機(jī)械用鋼的需求量從某一時(shí)期開始下降，但可以預(yù)見，仍會(huì)有一定量的需求。

隨著建筑工程機(jī)械向大型化發(fā)展和施工環(huán)境日益苛刻，對(duì)機(jī)械部件的高強(qiáng)度化、高耐磨性和高低溫韌性提出了進(jìn)一步的要求。此外，在焊接性、彎曲加工性等易加工性方面也提出了新的要求。

在鋼材制造方面，隨著微合金化技術(shù)的深入研究和新型熱處理技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出全新的微觀組織控制技術(shù)。在熱處理方面，過去是在軋制生產(chǎn)線之外的離線設(shè)備上進(jìn)行淬火回火，近年來，可以在與軋制線相連接的作業(yè)線上進(jìn)行軋后在線直接淬火，并且利用在線加熱裝置進(jìn)行快速加熱回火的技術(shù)也已經(jīng)實(shí)用化。由于熱處理在線化，可以隨時(shí)根據(jù)不同的鋼材要求進(jìn)行批量生產(chǎn)，制造出質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材。

本文重點(diǎn)介紹在建筑工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件用高強(qiáng)度鋼和磨損件用耐磨鋼方面，近年來開發(fā)出的全新的組織控制技術(shù)和高性能鋼材的情況。

1建筑工程機(jī)械用高強(qiáng)度鋼

1.1高強(qiáng)度化和高韌性化

近年來，在建筑工程機(jī)械厚鋼板使用領(lǐng)域內(nèi)，由于起重機(jī)等設(shè)備的大型化和輕量化以及施工環(huán)境的苛刻化，對(duì)所用鋼材的超高強(qiáng)度化和高韌性化的需求日益增加。為了適應(yīng)這種市場(chǎng)需求，正在開發(fā)出以優(yōu)良低溫韌性為特征的屈服強(qiáng)度（YP）為685～1300MPa級(jí)的超高強(qiáng)度鋼。

高強(qiáng)度鋼通常是通過熱處理（淬火+回火）制造成的。淬火有兩種方法可以采用：軋制后空冷，然后再加熱到奧氏體區(qū)進(jìn)行淬火的再加熱淬火法和軋制后不空冷直接淬火的直接淬火法。直接淬火法和控制軋制相結(jié)合可以對(duì)鋼的組織進(jìn)行精確控制。

從采用控制軋制后直接淬火的形變熱處理技術(shù)開發(fā)出的YP960MPa級(jí)鋼可以看出，未再結(jié)晶區(qū)軋制材與再結(jié)晶區(qū)軋制材相比，原始奧氏體晶粒得到很大的延伸，并且組織微細(xì)化。隨著終軋溫度的降低，強(qiáng)度增加的同時(shí)韌性也提高。強(qiáng)度和韌性綜合提高的原因是形變熱處理導(dǎo)致的位錯(cuò)密度增加和晶粒的有效細(xì)化。

回火一般是采用離線熱處理爐進(jìn)行的，但最近有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了采用感應(yīng)加熱方式的在線型快速加熱回火裝置生產(chǎn)建筑工程機(jī)械厚鋼板的事例。

從采用形變熱處理和快速加熱回火工藝提高低溫韌性YP1100MPa級(jí)鋼實(shí)例可以看出：形變熱處理生成的高位錯(cuò)密度馬氏體增加了回火時(shí)滲碳體析出的位置，并且在這種狀態(tài)下快速加熱回火，使?jié)B碳體從馬氏體板條界面和板條內(nèi)部同時(shí)析出，實(shí)現(xiàn)了滲碳體析出均勻彌散。由于滲碳體是脆性斷裂源，所以，經(jīng)過形變熱處理和快速加熱回火的鋼材，滲碳體充分均勻彌散，具有最良好的低溫韌性。

1.2焊接性的提高

一般來說，對(duì)于高強(qiáng)度鋼，隨著強(qiáng)度的增加，韌性降低。因此，高強(qiáng)度鋼同時(shí)兼?zhèn)涓邚?qiáng)度和良好的焊接性是十分必要的。

通常，降低合金元素含量使碳當(dāng)量降低是提高焊接性的有效方法。直接淬火法可以在更低的碳當(dāng)量情況下，獲得與再加熱淬火同等的強(qiáng)度。因此，采用直接淬火可有效提高鋼的焊接性。

用Y型焊接裂紋實(shí)驗(yàn)研究YP685MPa和YP885MPa級(jí)鋼焊接性的結(jié)果表明，兩種鋼在常溫下都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生。其原因是，選擇適宜的合金成分，采用Nb、V、Ti等微合金化技術(shù)并運(yùn)用直接淬火工藝。YP685MPa級(jí)鋼的Ceq=0.39, YP885MPa級(jí)鋼的Pcm=0.25，實(shí)現(xiàn)了低合金成分低碳當(dāng)量的設(shè)計(jì)。

1.3抗延遲斷裂特性的提高

對(duì)于鋼鐵材料，一般來說，抗拉強(qiáng)度超過1200MPa時(shí)，抗延遲斷裂特性下降，因此，在YP1100MPa級(jí)以上的超高強(qiáng)度鋼實(shí)用化時(shí)，必須提高鋼材的抗延遲斷裂特性。

通過研究快速加熱回火滲碳體彌散化對(duì)形變熱處理YP960MPa和YP1100MPa級(jí)鋼抗延遲斷裂特性的影響，可知低速加熱回火的鋼材滲碳體粗大，抗拉強(qiáng)度大于1100MPa時(shí)，抗延遲斷裂安全性指數(shù)大大下降。與此不同，快速加熱回火的鋼材滲碳體彌散分布，即使抗拉強(qiáng)度達(dá)到1300MPa級(jí)，抗延遲斷裂安全性指數(shù)也未下降，顯示出良好的抗延遲斷裂特性。

對(duì)于快速加熱回火鋼材，隨著作為氫陷阱的滲碳體彌散化，鋼中氫存在的地點(diǎn)也分散化，因此顯示出良好的抗延遲斷裂特性。

2耐磨鋼

2.1對(duì)耐磨鋼要求的特性

建筑工程機(jī)械磨耗部件耐磨性的提高對(duì)于原始制造成本和磨耗部件修補(bǔ)的流動(dòng)成本都具有重要作用，一直是一個(gè)重要的研究課題。

為了提高耐磨性，迄今為止，在磨耗形態(tài)、磨耗機(jī)理、材料特性的影響等方面進(jìn)行了許多研究，但是并沒有充分揭示出內(nèi)在的規(guī)律。然而，在實(shí)用方面，硬度增加可以提高耐磨性，這是人所共知的。因此對(duì)耐磨鋼的開發(fā)，其著眼點(diǎn)主要是高硬度鋼的開發(fā)。

實(shí)際應(yīng)用的耐磨鋼有低合金鋼、高錳奧氏體鋼、鑄鐵等。根據(jù)材料特性和用途的不同來區(qū)別使用這些耐磨鋼。本文所論述的是使用最廣泛的低合金耐磨鋼。

對(duì)于低合金耐磨鋼，在提高其耐磨性的同時(shí)，焊接性、韌性、彎曲性等加工性也是重要的特性。一般來說，為了提高耐磨性而增加鋼的硬度會(huì)使加工性下降，所以，為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有高耐磨性和高加工性進(jìn)行了研究開發(fā)。

2.2耐磨性、焊接性和加工性的提高

一般來說，為了同時(shí)提高低合金耐磨鋼的耐磨性和焊接性要對(duì)低合金耐磨鋼進(jìn)行熱處理，使鋼的基本組織是馬氏體。微量添加可顯著提高淬透性的B是重要的。1970年以后開發(fā)出含B低合金耐磨鋼板。

　  表1          低合金耐磨鋼板的特性
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    鋼級(jí)     厚度      化學(xué)成分/%                      碳當(dāng)量          力學(xué)性能
             mm    C     Si    Mn         其它            %    表面硬度HB    夏比吸收功/J
    ———————————————————————————————————————————
    HB400    15  0.12   0.5   1.4   Ti、Al、Nb、B      0.37(2    400          -
             19  0.15  0.34  1.44   Cr、Ti、B          0.45(1    385          -
             19  0.15  0.41  1.20   Nb、V、 Ti  等     0.39(2    390      65（-40℃）
    HB500    10  0.24  0.25   0.7   Cr、Al、Nb、B      0.49(2    500          -
             19  0.32  0.23  1.07   Cr、Ti、B          0.61(1    508          -
             20  0.26  0.31  1.33   Nb、V、 Ti  等     0.53(2    500      42（-40℃）
    HB600     8  0.41   0.2   0.5   Cr、Ni、Ti、Al、B  0.72(2    600          -
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（1）C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

（2）C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5

鋼的耐磨性通常是通過硬度的增加來提高的。馬氏體的硬度和C含量有著相關(guān)關(guān)系。因此，在進(jìn)行低合金耐磨鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)硬度調(diào)整C含量和為得到馬氏體確保淬透性是十分重要的。另外，考慮到焊接性的問題，應(yīng)避免過多地添加合金元素Ni、Cr、Mo。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出限制碳當(dāng)量上限來提高焊接性的低合金耐磨鋼板。用ASTM G-65規(guī)定的橡膠輪磨耗實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)耐磨性進(jìn)行評(píng)價(jià)。HB400級(jí)鋼、HB500級(jí)鋼的耐磨性分別是SS400鋼的2～4倍和4～8倍。

此外，已經(jīng)開發(fā)出不顯著提高鋼基體的硬度，也能提高耐磨性的材料設(shè)計(jì)方法。通過使大量硬質(zhì)相彌散分布在基體的方法，可以獲得超過按基體硬度預(yù)計(jì)的耐磨性。雖然鋼的表面硬度是HB450級(jí)，但其耐磨性約為HB500級(jí)鋼的1.5倍，顯示出良好的耐磨性。

2.3低溫韌性的提高

對(duì)于在高山和北美等寒冷地區(qū)使用的耐磨鋼板，提高其低溫韌性的要求日益強(qiáng)烈。

過去，耐磨鋼的材質(zhì)設(shè)計(jì)，一般主要進(jìn)行提高耐磨性的高硬度化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)不在韌性改善方面。對(duì)于馬氏體鋼來說，控制韌性的組織單元是馬氏體束，馬氏體束的尺寸隨著原始奧氏體晶粒的細(xì)化而變小。

因此，晶粒細(xì)化對(duì)于提高耐磨鋼的低溫韌性是有效的。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)的高性能耐磨鋼板，通過添加Nb、V、Ti等微合金化元素，利用這些元素彌散析出物的釘扎作用，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，提高了耐磨鋼的低溫韌性。圖1表示出低溫韌性良好的耐磨鋼板的原始奧氏體晶粒尺寸和夏比沖擊特性。與傳統(tǒng)鋼相比，高性能耐磨鋼板的晶粒細(xì)化，在-40℃的低溫區(qū)仍具有良好的夏比沖擊特性。預(yù)期今后將進(jìn)一步增加對(duì)高性能耐磨鋼板的需求。

2.4提高抗斷裂性

對(duì)于耐磨鋼板，當(dāng)抗拉強(qiáng)度高達(dá)1200～1600MPa時(shí)，常常因氣割和焊接導(dǎo)致氫的侵入而發(fā)生延遲斷裂。這種延遲斷裂通常觀察到的是晶界斷口，因此，為抑制延遲斷裂，必須強(qiáng)化晶界。采取的措施是降低P等易產(chǎn)生晶界偏析的雜質(zhì)元素含量，同時(shí)進(jìn)行晶粒細(xì)化。

此外，為降低來自焊接材料的氫，手工電弧焊普遍使用了低氫型實(shí)心焊絲CO2保護(hù)焊，這種焊接方法顯示出抑制焊接裂紋的效果。并且，焊前預(yù)熱、焊后保養(yǎng)等施工管理也是重要對(duì)策。

今后為滿足進(jìn)一步提高耐磨性的要求，應(yīng)開發(fā)更高強(qiáng)度、更高硬度的耐磨鋼，并使之實(shí)用化。為此，在提高材料抗延遲斷裂特性的同時(shí)，用戶的施工管理必須加強(qiáng)，耐磨鋼板制造廠家和用戶的密切協(xié)作是十分重要的。

3 結(jié)語

可以認(rèn)為，建筑工程機(jī)械和其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域一樣，來自環(huán)境和安全性方面的提高性能的要求今后將進(jìn)一步變得迫切起來。在環(huán)境方面，CO2排放量的削減、輕量化降低燃料消耗的要求將進(jìn)一步提高。建筑工程機(jī)械用鋼的高強(qiáng)度化趨勢(shì)今后將持續(xù)下去。在設(shè)備生命周期成本方面，要求降低設(shè)備修補(bǔ)費(fèi)用，所以必須進(jìn)一步提高鋼的耐磨性。在提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性的同時(shí)，在安全性方面防止延遲斷裂的措施也十分重要。可以認(rèn)為，在提高抗斷裂性技術(shù)方面，耐磨鋼板制造廠家和用戶的密切協(xié)作比過去變得更加重要。

在耐磨鋼板制造技術(shù)方面，近年來開發(fā)出形變熱處理和在線快速加熱回火工藝使碳化物均勻彌散化的新的突破性技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了在提高生產(chǎn)率的同時(shí)，提高鋼材的強(qiáng)韌性和抗延遲斷裂性。今后將在新鋼材成分設(shè)計(jì)和制造技術(shù)方面進(jìn)一步開展研發(fā)工作，進(jìn)行超前于用戶需求的產(chǎn)品開發(fā)。