非調質鋼在工程機械上的應用現狀及展望

張坤，馬強

工程機械中大部分零部件均是使用鋼鐵材料，工程機械工作環境惡劣以及現代工程機械朝著大功率、低自重的方向發展。受車體結構空間限制，不可能通過擴大結構、加大發動機缸數來實現其高動力性，因此解決的方法只能是不斷提高材料強度和加工精度，以此來提高零部件運行性能，減少動力損耗，提高輸出動力。

非調質鋼是近年來發展較為迅猛的一個鋼種，是通過在中碳鋼中添加微量（≤0.2%）合金元素（主要是Ti、V、Nb等），從而使其一項或幾項力學性能指標具有明顯變化的鋼。如在鋼中添加0.10%V時，能產生250MPa以上的強度增量，在特殊情況下甚至能增加300MPa。這種鋼在歐美被稱為微合金非調質中碳鋼，日本則稱之為非調質型結構鋼或簡稱非調質鋼。

1.非調質鋼發展應用背景

自20世紀70年代德國THYSSEN公司開發出了第一種非調質鋼49MnVS3來代替調質CK45鋼制造汽車曲軸以來，非調質鋼已經廣泛應用于汽車領域，日本55%的軸類零件、75%的鍛造結構件均已采用非調質鋼制造，其中三菱汽車公司的轉向系統和傳動系統所用的熱鍛調質件幾乎全部非調質化，豐田、住友等公司有90%的曲軸、75%連桿用非調質鋼制造，德國大眾用27MnSiVS6非調質鋼制造的轎車連桿年產250萬件。表1列出了國內外廠家將非調質鋼應用到汽車上的實例。

2.非調質鋼的特點

（1）在一定范圍內，鋼的強度隨著碳含量的增加而提高，而碳含量的增加在提高強度的同時也降低了鋼的韌性。彌散強化和固溶強化對非調質鋼強度貢獻比重較調質鋼大，在非調質鋼中可以減少碳的含量而依然獲得與調質鋼相同的強度。因此，相同強度的情況下非調質鋼具有更好的韌性。

（2）非調質鋼具有良好的切削加工性能 在硬度相同的情況下，具有鐵素體-珠光體組織的非調質鋼其切削加工性能比具有索氏體組織的調質結構鋼好。

（3）非調質鋼具有良好的表面強化特性 為了提高工程機械零件表面的耐磨性和疲勞強度，都要進行表面強化處理。與同等強度級別的調質鋼相比，在同樣滲氮和軟氮化工藝條件下，非調質鋼的滲層可以得到更高的硬度、更深的滲層，且滲氮處理后其心部硬度也不降低。

表1 國內外廠家將非調質鋼應用到汽車上的實例

（4）非調質鋼可省去占調質鋼生產總成本6%的熱處理費用。德國人用49MnVS3鋼代替調質鋼制造連桿可節約總成本的38%；日本愛知分析，非調質鋼因省略調質處理這一工序，可使熱鍛產品的成本降低18%。

（5）由于省去了調質工序，從而節約勞動成本和生產管理成本。此外，對于已有熱處理車間，可省去部分熱處理設備的維護費用。

（6）非調質鋼省去了調質工序，因此避免了工件的轉運以及消除了熱處理產生的變形，省去了校直工序，大大提高了生產效率。

（7）杜絕了調質過程中產生的廢水、廢氣、廢油，大大改善了生產現場的環境，有“綠色鋼材”之稱。

3.非調質鋼在工程機械上的應用現狀

工程機械涵蓋的種類繁多，產品主要是起重機械、挖掘機械、鋼筋混凝土機械、鏟土運輸機械、路面機械等18大類。在歐美和日本將非調質鋼應用到上述機械上較為廣泛，而在國內由于冶煉技術的落后以及低廉的調質費用，使得非調質鋼用于工程機械領域缺少動力，因此尚處于起步階段。

非調質鋼在汽車領域的成功應用是一個很好的啟示，汽車領域和工程機械領域有很多相通之處，如叉車和汽車從結構和動力上講差別不大，因此可以將非調質鋼應用到叉車的部件上。

液壓缸是挖掘機、叉車等主機的強度構件。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成，表2為將非調質鋼應用到液壓缸零件上的匯總表，該表列出了液壓缸上各零部件對材料力學性能的要求。用非調質鋼制造的零件均進行樣機實測進行采集數據，結果顯示采用的非調質鋼均能達到技術要求。

占工程機械較大份額的挖掘機、履帶式起重機以及推土機是履帶式行走的工程機械，四輪一帶（支重輪、驅動輪、引導輪、托輪和行走履帶）產品是其配套部件。現代工程機械功率越來越大，機械本身的自重也增加，工作的靈活性要求也越來越高，因此，支重輪、驅動輪和履帶是技術的關鍵。

日本首先將非調質鋼應用于挖掘機支重輪軸上，取代碳素結構鋼S43C、S45C和SCM435等材料。挖掘機支重輪主要由輪體和軸組成，承擔著整個機身的重量，工作時還要承受更大的沖擊，這些均要求支重輪輪體和軸要有很高的強度和韌性。支重輪軸除承擔機身的重量外還具有讓履帶沿著輪子前進的功能，因此，要有較高的屈服強度以使軸不易彎曲，即較大的屈強比對支重輪軸使用是一個關鍵因素。日本某挖掘機制造企業用非調質鋼取代用于制造支重輪軸的S45C取得了較好的效果，其工藝流程對比見表3。

由表3可見，使用非調質鋼可取消粗車及調質工序，因此較大幅度地減少了加工及物流費用，使得產品更具有競爭力。

在歐美國家將非調質鋼應用到支重輪軸上的技術也已經很成熟，如工程機械的領頭羊美國卡特彼勒公司不僅在本土生產非調質鋼支重輪軸，還與我國的鋼鐵公司合作開發非調質鋼，用來裝配其公司在我國生產的支重輪，從而減少物流成本。

表2 液壓缸零件力學性能要求及用非調質鋼替代相應零件實測結果

表3 支重輪軸使用調質鋼和非調質鋼的工藝路線對比

顎式破碎機是礦山、石場等進行物料破碎不可缺少的設備，其在工作時要承受相當大的沖擊力。偏心軸是顎式破碎機重要的零件，為了保證顎式破碎機的可靠性，要求偏心軸具有良好的綜合力學性能。傳統的制造材料為45鋼，其工藝流程復雜，調質過程易出現熱處理缺陷，且能耗大。上海市建設路橋機械設備有限公司使用38MnVS6非調質鋼代替了45鋼取得了較好的應用效果。非調質鋼還被應用于緊固件生產中，但僅限于國外少數企業。

綜上可見，非調質鋼大多是應用到軸類產品上，而在工程機械的輪體、結構件等部件上應用極少。非調質鋼現在的種類極多，性能也較為穩定，應加快非調質鋼在工程機械上的應用。

4.非調質鋼在工程機械上的應用展望

非調質鋼的性能優越，具有較好的可加工性和焊接性，這些均使其能夠應用到工程機械領域。

工程機械中使用鋼鐵的底盤件品種較多，如挖掘機、推土機、履帶式汽車起重機等。底盤件可概括為“四輪一帶”，即引導輪、驅動輪、支重輪、托輪及履帶總成。其中引導輪的主要作用是引導機體平穩運轉，調節履帶的張緊度，尤其是機器駛過巖石時。其輪體多為鑄造件，而引導輪軸則為異形的臺階軸，其臺階處是進行局部加熱，而后鍛造而成，如圖1所示。該軸制造工藝復雜，其熱加工工藝流程中包含了調質、鍛造以及感應淬火等工序。因其工藝復雜，在生產過程中需要消耗大量的管理費用、人工費用、電費等，易產生不合格件，從而導致其價格居高不下。若使用鍛造用非調質鋼代替原有的需調質的材料，可大大減少費用，提高生產效率。

我公司現在已開始嘗試使用鍛造非調質鋼。使用非調質鋼生產需鍛造的產品應解決鍛造后晶粒粗大的問題，圖2為用非調質鋼鍛造引導輪軸前后的金相組織，可見經鍛造后其晶粒異常粗大。表4為鍛造前后其力學性能。可見其沖擊性能、伸長率及斷面收縮率下降較大。

為解決非調質鋼鍛造后其力學性能下降較多的問題，采用一種較為經濟和方便的方法對鍛造后的軸進行處理，處理后其力學性能見表4。由表4可見，經處理后軸的力學性能與鍛造前力學性能相當且遠優于鍛造后的力學性能。目前我公司正努力推動此工藝在引導輪軸上的應用。

非調質鋼在引導輪軸上的應用不僅可以降低企業生產成本、提高利潤率，且由于其減少了生產環節，從而減少了生產中對環境的污染。簡而言之，若非調質鋼滿足各項技術要求，那么其就可代替需經調質才能滿足各項技術要求的材料。表5歸納總結了可用非調質鋼替代的工程機械零部件。

圖1 引導輪軸示意

圖2 不同處理狀態下金相圖片

表4 不同處理狀態下力學性能對比

表5 可用非調質鋼制造的工程機械零部件匯總

可以看到，非調質鋼在工程機械上的應用前景非常廣闊，但是限于國內鋼廠冶煉水平較低以及非調質鋼價格偏高，使得非調質鋼在工程機械上應用不多。因此，通過調整非調質鋼中化學成分，提高精煉技術，提高鑄坯成分偏析控制技術，鋼中復相組織的開發等降低開發成本，研發出性能更高的非調質鋼供工程機械使用。20140611