V 元素對(duì)工程機(jī)械液壓缸用鋼管性能的改善

王家聰，劉慶教，韋金鈺，劉賢翠，劉 洋

（徐州徐工液壓件有限公司，江蘇 徐州 221004）

我國(guó)是工程機(jī)械制造大國(guó)，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出千噸級(jí)超大型工程機(jī)械，實(shí)現(xiàn)了超大型工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)國(guó)際化、產(chǎn)品高端化、技術(shù)前沿化。液壓缸屬于工程機(jī)械關(guān)鍵核心零部件，跟隨主機(jī)大量出口到“一帶一路”沿線(xiàn)各國(guó)。高強(qiáng)韌性、高精度鋼管是制造高端液壓缸的核心材料，按照目前的液壓缸加工工藝，80%以上的液壓缸缸筒材料都是使用冷拔鋼管，可是，國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的冷拔鋼管材料特別是高強(qiáng)韌性材料。探討適合工程機(jī)械液壓缸使用的冷拔鋼管用高強(qiáng)韌性材料，對(duì)于行業(yè)的發(fā)展，有著非常重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)工程機(jī)械液壓缸材料現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)液壓缸缸筒常用材料主要有20 鋼、45 鋼、25Mn、27SiMn 等鋼管，這些材料或者是通過(guò)提高C 含量，達(dá)到提高材料強(qiáng)度性能的目的，譬如20 鋼→45 鋼；或者是通過(guò)加入Mn、Si 等元素提高鋼材的性能，譬如25Mn、27SiMn，材料強(qiáng)度雖然提高了（表1～2）［1-3］，滿(mǎn)足了液壓缸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，可是，通過(guò)在鋼材中提高C、Mn、Si 含量，材料的碳當(dāng)量值提高，對(duì)材料的焊接性能、韌性都產(chǎn)生不利影響。

表1 我國(guó)常用冷拔管主要元素含量與碳當(dāng)量理論計(jì)算值

表2 我國(guó)常用冷拔管成品性能

在液壓缸加工過(guò)程中，復(fù)雜斷面與連接尺寸處都不可避免進(jìn)行焊接，而且液壓缸外表面還會(huì)連接較多結(jié)構(gòu)件，很多時(shí)候都無(wú)法進(jìn)行焊前預(yù)熱與焊后回火。如果材料的焊接性能不良，就可能對(duì)使用液壓缸的工程機(jī)械造成較大安全隱患［4］。另外，工程機(jī)械放置在面對(duì)各種惡劣工況的施工工地，液壓缸需要承受自然風(fēng)向、環(huán)境溫度、特殊地貌等產(chǎn)生的不同方向載荷，對(duì)液壓缸材料的強(qiáng)韌性要求很高，材料韌性差，受到復(fù)雜交變應(yīng)力時(shí)，極易發(fā)生液壓缸缸筒爆缸、活塞桿疲勞斷裂等機(jī)械事故，無(wú)法保證工程機(jī)械的可靠性。

2 國(guó)外工程機(jī)械液壓缸材料對(duì)比分析

對(duì)比歐洲液壓缸缸筒材料，基本上都是使用低碳合金鋼，控制材料的C 與Si 含量（表3～6），通過(guò)添加V、Cr、Mo 等合金，在提高材料強(qiáng)度同時(shí)，保持材料的低碳當(dāng)量值，并改善材料的韌性指標(biāo)。

表3 瑞典STRUCTO 公司冷拔管材料主要元素含量與碳當(dāng)量

表4 瑞典STRUCTO 公司冷拔管成品性能

表5 泰納瑞斯（Tenaris）鋼管材料主要元素含量與碳當(dāng)量

表6 泰納瑞斯（Tenaris）冷拔管成品性能

對(duì)比分析可以看出，國(guó)外液壓缸冷拔管材料都不是普通的機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼管，一般都是針對(duì)液壓缸的特殊需要，進(jìn)行特殊定制的低碳合金管。該材料通過(guò)降低碳當(dāng)量值，提高焊接性能；通過(guò)添加微量合金元素，提高機(jī)械性能，從而保證此材料在高強(qiáng)度情況下，仍然具有很高的斷后伸長(zhǎng)率和低溫沖擊韌性。國(guó)外工程機(jī)械液壓缸鋼管尤其關(guān)注韌性指標(biāo)，一般都要求斷后伸長(zhǎng)率在15%以上，-20 ℃沖擊功均大于40 J。

3 開(kāi)發(fā)適合國(guó)內(nèi)液壓缸行業(yè)使用的新材料

我國(guó)高精度冷拔鋼管通過(guò)30 多年的發(fā)展，其制造水平已經(jīng)能夠滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)液壓缸行業(yè)需求，影響工程機(jī)械液壓缸發(fā)展的主要是原材料性能?，F(xiàn)在大量使用的冷拔坯料材質(zhì)為20 鋼、45 鋼、25Mn、27SiMn，這些材料都是國(guó)內(nèi)20 世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足現(xiàn)在工程機(jī)械液壓缸的性能需求，主要體現(xiàn)在材料強(qiáng)度不高、材料焊接性能較差，材料沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性低，無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)代工程機(jī)械液壓缸的使用要求。

2012年國(guó)內(nèi)工程機(jī)械液壓缸行業(yè)已經(jīng)使用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345 系列鋼管制造液壓缸［4］。后來(lái)，在冷拔過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)普通Q345 材料冷拔管強(qiáng)度偏低，無(wú)法滿(mǎn)足大型工程機(jī)械液壓缸對(duì)材料性能的要求。為此，徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)徐工集團(tuán)）與國(guó)內(nèi)大型鋼管公司開(kāi)展新材料合作開(kāi)發(fā)，通過(guò)在Q345 材料中添加V 合金，提高材料性能，開(kāi)發(fā)出XG550，滿(mǎn)足了徐工集團(tuán)工程機(jī)械液壓缸需求。

新開(kāi)發(fā)的XG550 材料中，主要對(duì)V 元素進(jìn)行了下限控制，具體成分見(jiàn)表7。添加V 合金后，材料各項(xiàng)性能都得到明顯改善，見(jiàn)表8。

表7 定制冷拔管材料XG550B 與Q345B 成分對(duì)比

表8 定制材料XG550B 與Q345B 冷拔管成品性能對(duì)比

4 添加V 元素對(duì)熱軋鋼管材料性能的改善

通過(guò)在Q345 系列材料中添加0.05%的V 元素，材料的強(qiáng)度與沖擊性能明顯大幅度提高。圖1～2 分別列出湖南某鋼管公司與湖北某鋼管公司生產(chǎn)的熱軋鋼管，在材料中添加V 元素后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊功的改善情況。

圖1 湖南某鋼管公司的熱軋鋼管性能對(duì)比

圖2 湖北某鋼管公司的熱軋鋼管性能對(duì)比

圖1～2 數(shù)據(jù)可以看出，湖南某鋼管公司材料添加0.05%的V 后，屈服強(qiáng)度提高11.34%，抗拉強(qiáng)度提高3.92%，斷后伸長(zhǎng)率提高1.44%，常溫沖擊功提高27.94%；湖北某鋼管公司材料添加0.05%的V 后，屈服強(qiáng)度提高9.67%，抗拉強(qiáng)度提高4.24%，斷后伸長(zhǎng)率提高2.2%，-20 ℃沖擊功提高3.47%，-40 ℃沖擊功提高17.03%。

根據(jù)武漢理工大學(xué)材料研究與測(cè)試中心蔣蓉論文描述［5］，合金化是采用現(xiàn)代冶金生產(chǎn)流程生產(chǎn)的低成本的高強(qiáng)度鋼鐵產(chǎn)品，采用微合金化技術(shù)正成為傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)向現(xiàn)代化冶金生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的標(biāo)志［6］。實(shí)際生產(chǎn)中制備微合金化鋼一般是通過(guò)添加V、Ti、Nb 等（一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%）合金元素，對(duì)鋼的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有顯著改善［7］。

從微觀組織理論分析，微合金元素V 位于元素周期表中的VB 族，與Fe 一起都屬于過(guò)渡族元素。V 具有體心立方晶格，當(dāng)它們固溶在Fe 中時(shí)，能與Fe 保持一定的共格關(guān)系。V 的電負(fù)性為1.63，與Fe 的電負(fù)性（1.83）相差不大，與Fe 有一定的固溶傾向［8］。V 具備形成氮化物和碳化物的能力，V 的氮化物和碳化物在奧氏體中幾乎完全溶解，V 的化合物僅在γ/α 相變過(guò)程中或者相變后析出，析出物非常細(xì)小，有十分顯著的析出強(qiáng)化效果［9-10］。通過(guò)對(duì)鋼組織的微觀結(jié)構(gòu)考察，其強(qiáng)化機(jī)理主要來(lái)自于微合金元素的氮/碳化物在鋼中的析出強(qiáng)化，鐵素體和奧氏體的細(xì)晶強(qiáng)化，以及相變強(qiáng)化3 個(gè)方面［5］。

V 的氮/碳化物對(duì)奧氏體晶界的釘扎作用使相變后的鐵素體晶粒得到細(xì)化［11］，提高了材料的斷后伸長(zhǎng)率與沖擊韌性。從圖1～2 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，添加微量合金元素V 后，鋼材的屈服強(qiáng)度得到明顯提高，抗拉強(qiáng)度也得到提高，同時(shí)還保留了較好的塑性變形能力，這個(gè)特性為液壓缸缸筒的冷拔加工帶來(lái)了極大便利。

5 添加V 元素對(duì)冷拔鋼管材料性能的改善

工程機(jī)械液壓缸用冷拔鋼管，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中區(qū)別不同工況，分別使用可以不添加V 的普通Q345 系列材料及必須添加V 的XG550 系列材料。材料中添加0.05%的V 元素后，其性能對(duì)比如圖3所示。

圖3 液壓缸用冷拔鋼管鋼管性能對(duì)比

從圖3 可以看出，液壓缸用冷拔鋼管添加了0.05%的V 后，屈服強(qiáng)度提高14.47%，抗拉強(qiáng)度提高2.31%，斷后伸長(zhǎng)率提高2.20%，室溫沖擊功提高17.67%。各項(xiàng)指標(biāo)都很好地滿(mǎn)足了工程機(jī)械液壓缸使用要求，實(shí)際性能測(cè)量值均高于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。

為了進(jìn)一步滿(mǎn)足超大型工程機(jī)械液壓缸開(kāi)發(fā)需求，通過(guò)對(duì)比GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q420 材料，提高V 元素的合金含量，再次提高材料的強(qiáng)度指標(biāo)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出XG720 材料［12-15］，冷拔管屈服強(qiáng)度可以達(dá)到720 MPa 以上，滿(mǎn)足了徐工集團(tuán)開(kāi)發(fā)需要。

XG720，Q420 化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表9。XG720材料是對(duì)Q420 的化學(xué)成分進(jìn)行了一定范圍的調(diào)整，主要包括：①提高了C 含量；②限制了Mn 的含量范圍；③限定V 含量下限，采用單一細(xì)化晶粒元素V 替代Nb、V、Ti 組合，材料最終達(dá)到提高強(qiáng)度，細(xì)化晶粒，保證高韌性的目的。

表9 XG720、Q420 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)比%

XG720 材料熱軋鋼管以正火態(tài)交貨，其冷拔前后的力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表10。

表10 XG720 正火態(tài)鋼管與冷拔鋼管力學(xué)性能對(duì)比

在拉伸測(cè)試過(guò)程中，XG720 冷拔管的抗拉強(qiáng)度為834～839 MPa，屈服強(qiáng)度為762～763 MPa，有明顯的屈服點(diǎn)，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到了16%～18%，室溫沖擊功65～80 J，-20 ℃沖擊功44～49 J，表現(xiàn)出了良好的韌性。在抗拉強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，冷拔提高了材料的強(qiáng)度而適當(dāng)?shù)亟档土隧g性，低成本滿(mǎn)足使用要求。添加V 后，材料塑性、韌性指標(biāo)的提高使液壓缸更加適應(yīng)惡劣工況的需求。

6 推廣應(yīng)用添加V 元素的高強(qiáng)韌性鋼管

隨著工程機(jī)械的發(fā)展，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)走到了世界第一陣營(yíng)，特別是千噸級(jí)超大型工程機(jī)械使用的液壓缸，制造水平國(guó)際領(lǐng)先，主機(jī)已大量出口到世界各地，特別是“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家。目前由于工程機(jī)械液壓缸材料沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，大量使用的液壓缸材料沒(méi)有兼顧高強(qiáng)度和高韌性，材料使用不規(guī)范，對(duì)行業(yè)發(fā)展不利。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工程機(jī)械液壓缸用精密鋼管，每年至少需要100 萬(wàn)t 熱軋鋼管，徐工集團(tuán)已經(jīng)獲得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)立項(xiàng)同意，主持編制《工程機(jī)械液壓缸用精密無(wú)縫鋼管》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。徐工集團(tuán)將添加V 元素的低合金高強(qiáng)度鋼管在工程機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化，把V 元素在改善鋼管性能上的作用盡快推廣應(yīng)用，進(jìn)一步支撐民族工業(yè)裝備發(fā)展和工程機(jī)械產(chǎn)品參與國(guó)際貿(mào)易。

7 結(jié)語(yǔ)

十多年的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，V 元素在改善鋼管性能上具有廣闊前景。工程機(jī)械液壓缸行業(yè)的發(fā)展越來(lái)越依賴(lài)熱軋鋼管行業(yè)的大力支持，進(jìn)一步研究V 元素對(duì)提高熱軋管質(zhì)量的影響，開(kāi)發(fā)出更多適合工程機(jī)械液壓缸使用的高強(qiáng)韌性新材料，才能夠支撐我國(guó)液壓缸制造能力發(fā)展，也才能夠帶動(dòng)我國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)水平極大飛躍，提升工程機(jī)械主機(jī)質(zhì)量、降低制造成本，使我國(guó)真正發(fā)展成為一個(gè)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。