非調(diào)質(zhì)鋼在工程機(jī)械上的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

張坤，馬強(qiáng)

工程機(jī)械中大部分零部件均是使用鋼鐵材料，工程機(jī)械工作環(huán)境惡劣以及現(xiàn)代工程機(jī)械朝著大功率、低自重的方向發(fā)展。受車(chē)體結(jié)構(gòu)空間限制，不可能通過(guò)擴(kuò)大結(jié)構(gòu)、加大發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其高動(dòng)力性，因此解決的方法只能是不斷提高材料強(qiáng)度和加工精度，以此來(lái)提高零部件運(yùn)行性能，減少動(dòng)力損耗，提高輸出動(dòng)力。

非調(diào)質(zhì)鋼是近年來(lái)發(fā)展較為迅猛的一個(gè)鋼種，是通過(guò)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(xiàng)或幾項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)具有明顯變化的鋼。如在鋼中添加0.10%V時(shí)，能產(chǎn)生250MPa以上的強(qiáng)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(diào)質(zhì)中碳鋼，日本則稱之為非調(diào)質(zhì)型結(jié)構(gòu)鋼或簡(jiǎn)稱非調(diào)質(zhì)鋼。

1.非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展應(yīng)用背景

自20世紀(jì)70年代德國(guó)THYSSEN公司開(kāi)發(fā)出了第一種非調(diào)質(zhì)鋼49MnVS3來(lái)代替調(diào)質(zhì)CK45鋼制造汽車(chē)曲軸以來(lái)，非調(diào)質(zhì)鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域，日本55%的軸類零件、75%的鍛造結(jié)構(gòu)件均已采用非調(diào)質(zhì)鋼制造，其中三菱汽車(chē)公司的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)所用的熱鍛調(diào)質(zhì)件幾乎全部非調(diào)質(zhì)化，豐田、住友等公司有90%的曲軸、75%連桿用非調(diào)質(zhì)鋼制造，德國(guó)大眾用27MnSiVS6非調(diào)質(zhì)鋼制造的轎車(chē)連桿年產(chǎn)250萬(wàn)件。表1列出了國(guó)內(nèi)外廠家將非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用到汽車(chē)上的實(shí)例。

2.非調(diào)質(zhì)鋼的特點(diǎn)

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

（2）非調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)鋼其切削加工性能比具有索氏體組織的調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼好。

（3）非調(diào)質(zhì)鋼具有良好的表面強(qiáng)化特性 為了提高工程機(jī)械零件表面的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，都要進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。與同等強(qiáng)度級(jí)別的調(diào)質(zhì)鋼相比，在同樣滲氮和軟氮化工藝條件下，非調(diào)質(zhì)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(guó)內(nèi)外廠家將非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用到汽車(chē)上的實(shí)例

（4）非調(diào)質(zhì)鋼可省去占調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)總成本6%的熱處理費(fèi)用。德國(guó)人用49MnVS3鋼代替調(diào)質(zhì)鋼制造連桿可節(jié)約總成本的38%；日本愛(ài)知分析，非調(diào)質(zhì)鋼因省略調(diào)質(zhì)處理這一工序，可使熱鍛產(chǎn)品的成本降低18%。

（5）由于省去了調(diào)質(zhì)工序，從而節(jié)約勞動(dòng)成本和生產(chǎn)管理成本。此外，對(duì)于已有熱處理車(chē)間，可省去部分熱處理設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

（6）非調(diào)質(zhì)鋼省去了調(diào)質(zhì)工序，因此避免了工件的轉(zhuǎn)運(yùn)以及消除了熱處理產(chǎn)生的變形，省去了校直工序，大大提高了生產(chǎn)效率。

（7）杜絕了調(diào)質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢油，大大改善了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，有“綠色鋼材”之稱。

3.非調(diào)質(zhì)鋼在工程機(jī)械上的應(yīng)用現(xiàn)狀

工程機(jī)械涵蓋的種類繁多，產(chǎn)品主要是起重機(jī)械、挖掘機(jī)械、鋼筋混凝土機(jī)械、鏟土運(yùn)輸機(jī)械、路面機(jī)械等18大類。在歐美和日本將非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用到上述機(jī)械上較為廣泛，而在國(guó)內(nèi)由于冶煉技術(shù)的落后以及低廉的調(diào)質(zhì)費(fèi)用，使得非調(diào)質(zhì)鋼用于工程機(jī)械領(lǐng)域缺少動(dòng)力，因此尚處于起步階段。

非調(diào)質(zhì)鋼在汽車(chē)領(lǐng)域的成功應(yīng)用是一個(gè)很好的啟示，汽車(chē)領(lǐng)域和工程機(jī)械領(lǐng)域有很多相通之處，如叉車(chē)和汽車(chē)從結(jié)構(gòu)和動(dòng)力上講差別不大，因此可以將非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用到叉車(chē)的部件上。

液壓缸是挖掘機(jī)、叉車(chē)等主機(jī)的強(qiáng)度構(gòu)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(diào)質(zhì)鋼應(yīng)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(duì)材料力學(xué)性能的要求。用非調(diào)質(zhì)鋼制造的零件均進(jìn)行樣機(jī)實(shí)測(cè)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示采用的非調(diào)質(zhì)鋼均能達(dá)到技術(shù)要求。

占工程機(jī)械較大份額的挖掘機(jī)、履帶式起重機(jī)以及推土機(jī)是履帶式行走的工程機(jī)械，四輪一帶（支重輪、驅(qū)動(dòng)輪、引導(dǎo)輪、托輪和行走履帶）產(chǎn)品是其配套部件?，F(xiàn)代工程機(jī)械功率越來(lái)越大，機(jī)械本身的自重也增加，工作的靈活性要求也越來(lái)越高，因此，支重輪、驅(qū)動(dòng)輪和履帶是技術(shù)的關(guān)鍵。

日本首先將非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用于挖掘機(jī)支重輪軸上，取代碳素結(jié)構(gòu)鋼S43C、S45C和SCM435等材料。挖掘機(jī)支重輪主要由輪體和軸組成，承擔(dān)著整個(gè)機(jī)身的重量，工作時(shí)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(qiáng)度和韌性。支重輪軸除承擔(dān)機(jī)身的重量外還具有讓履帶沿著輪子前進(jìn)的功能，因此，要有較高的屈服強(qiáng)度以使軸不易彎曲，即較大的屈強(qiáng)比對(duì)支重輪軸使用是一個(gè)關(guān)鍵因素。日本某挖掘機(jī)制造企業(yè)用非調(diào)質(zhì)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(duì)比見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，使用非調(diào)質(zhì)鋼可取消粗車(chē)及調(diào)質(zhì)工序，因此較大幅度地減少了加工及物流費(fèi)用，使得產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

在歐美國(guó)家將非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用到支重輪軸上的技術(shù)也已經(jīng)很成熟，如工程機(jī)械的領(lǐng)頭羊美國(guó)卡特彼勒公司不僅在本土生產(chǎn)非調(diào)質(zhì)鋼支重輪軸，還與我國(guó)的鋼鐵公司合作開(kāi)發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼，用來(lái)裝配其公司在我國(guó)生產(chǎn)的支重輪，從而減少物流成本。

表2 液壓缸零件力學(xué)性能要求及用非調(diào)質(zhì)鋼替代相應(yīng)零件實(shí)測(cè)結(jié)果

表3 支重輪軸使用調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼的工藝路線對(duì)比

顎式破碎機(jī)是礦山、石場(chǎng)等進(jìn)行物料破碎不可缺少的設(shè)備，其在工作時(shí)要承受相當(dāng)大的沖擊力。偏心軸是顎式破碎機(jī)重要的零件，為了保證顎式破碎機(jī)的可靠性，要求偏心軸具有良好的綜合力學(xué)性能。傳統(tǒng)的制造材料為45鋼，其工藝流程復(fù)雜，調(diào)質(zhì)過(guò)程易出現(xiàn)熱處理缺陷，且能耗大。上海市建設(shè)路橋機(jī)械設(shè)備有限公司使用38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼代替了45鋼取得了較好的應(yīng)用效果。非調(diào)質(zhì)鋼還被應(yīng)用于緊固件生產(chǎn)中，但僅限于國(guó)外少數(shù)企業(yè)。

綜上可見(jiàn)，非調(diào)質(zhì)鋼大多是應(yīng)用到軸類產(chǎn)品上，而在工程機(jī)械的輪體、結(jié)構(gòu)件等部件上應(yīng)用極少。非調(diào)質(zhì)鋼現(xiàn)在的種類極多，性能也較為穩(wěn)定，應(yīng)加快非調(diào)質(zhì)鋼在工程機(jī)械上的應(yīng)用。

4.非調(diào)質(zhì)鋼在工程機(jī)械上的應(yīng)用展望

非調(diào)質(zhì)鋼的性能優(yōu)越，具有較好的可加工性和焊接性，這些均使其能夠應(yīng)用到工程機(jī)械領(lǐng)域。

工程機(jī)械中使用鋼鐵的底盤(pán)件品種較多，如挖掘機(jī)、推土機(jī)、履帶式汽車(chē)起重機(jī)等。底盤(pán)件可概括為“四輪一帶”，即引導(dǎo)輪、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、托輪及履帶總成。其中引導(dǎo)輪的主要作用是引導(dǎo)機(jī)體平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)履帶的張緊度，尤其是機(jī)器駛過(guò)巖石時(shí)。其輪體多為鑄造件，而引導(dǎo)輪軸則為異形的臺(tái)階軸，其臺(tái)階處是進(jìn)行局部加熱，而后鍛造而成，如圖1所示。該軸制造工藝復(fù)雜，其熱加工工藝流程中包含了調(diào)質(zhì)、鍛造以及感應(yīng)淬火等工序。因其工藝復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量的管理費(fèi)用、人工費(fèi)用、電費(fèi)等，易產(chǎn)生不合格件，從而導(dǎo)致其價(jià)格居高不下。若使用鍛造用非調(diào)質(zhì)鋼代替原有的需調(diào)質(zhì)的材料，可大大減少費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率。

我公司現(xiàn)在已開(kāi)始嘗試使用鍛造非調(diào)質(zhì)鋼。使用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)需鍛造的產(chǎn)品應(yīng)解決鍛造后晶粒粗大的問(wèn)題，圖2為用非調(diào)質(zhì)鋼鍛造引導(dǎo)輪軸前后的金相組織，可見(jiàn)經(jīng)鍛造后其晶粒異常粗大。表4為鍛造前后其力學(xué)性能。可見(jiàn)其沖擊性能、伸長(zhǎng)率及斷面收縮率下降較大。

為解決非調(diào)質(zhì)鋼鍛造后其力學(xué)性能下降較多的問(wèn)題，采用一種較為經(jīng)濟(jì)和方便的方法對(duì)鍛造后的軸進(jìn)行處理，處理后其力學(xué)性能見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，經(jīng)處理后軸的力學(xué)性能與鍛造前力學(xué)性能相當(dāng)且遠(yuǎn)優(yōu)于鍛造后的力學(xué)性能。目前我公司正努力推動(dòng)此工藝在引導(dǎo)輪軸上的應(yīng)用。

非調(diào)質(zhì)鋼在引導(dǎo)輪軸上的應(yīng)用不僅可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本、提高利潤(rùn)率，且由于其減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，從而減少了生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境的污染。簡(jiǎn)而言之，若非調(diào)質(zhì)鋼滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，那么其就可代替需經(jīng)調(diào)質(zhì)才能滿足各項(xiàng)技術(shù)要求的材料。表5歸納總結(jié)了可用非調(diào)質(zhì)鋼替代的工程機(jī)械零部件。

圖1 引導(dǎo)輪軸示意

圖2 不同處理狀態(tài)下金相圖片

表4 不同處理狀態(tài)下力學(xué)性能對(duì)比

表5 可用非調(diào)質(zhì)鋼制造的工程機(jī)械零部件匯總

可以看到，非調(diào)質(zhì)鋼在工程機(jī)械上的應(yīng)用前景非常廣闊，但是限于國(guó)內(nèi)鋼廠冶煉水平較低以及非調(diào)質(zhì)鋼價(jià)格偏高，使得非調(diào)質(zhì)鋼在工程機(jī)械上應(yīng)用不多。因此，通過(guò)調(diào)整非調(diào)質(zhì)鋼中化學(xué)成分，提高精煉技術(shù)，提高鑄坯成分偏析控制技術(shù)，鋼中復(fù)相組織的開(kāi)發(fā)等降低開(kāi)發(fā)成本，研發(fā)出性能更高的非調(diào)質(zhì)鋼供工程機(jī)械使用。20140611