Q420D熱軋高強耐低溫叉車門架槽鋼的研究開發

劉 圣

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司)

0 引言

隨著物流業的發展，叉車得到廣泛的應用，作為叉車最重要的部件門架槽鋼也在不斷的更新換代，材質由最初的HRB355 到20MnSiV，再到Q420C，產品的強度、沖擊韌性、疲勞性能、焊接性能等都有了不同程度的提高［1］。同時對其表面質量、精度等有了更高的要求。對于寒冷地區及大型冷庫工作車間的叉車，其工作環境溫度在－10 ℃，甚至更低，這不僅對叉車的電子部件及發動機提出了嚴格的要求，對于起主要支撐作用的門架槽鋼也有個更高的標準。這就要求門架槽鋼能夠滿足低溫環境的要求，尤其是要提高叉車門架槽鋼的低溫沖擊韌性，才不至于在極端環境中發生脆斷等安全事故。本文介紹了Q420D 級別耐低溫叉車門架槽鋼的成分設計及工業化生產，通過試驗應用，門架槽鋼滿足低溫環境的使用要求，各方面性能及使用效果優越。

1 實驗材料及方法

在實驗室用ZG－0．05 真空感應爐冶煉了六種不同V/Ni 含量成分的微合金試驗鋼，通過V/Ni 微合金化發揮釩的沉淀強化及細化晶粒的作用，Ni 可降低韌脆轉變溫度提高低溫沖擊韌性的作用。取V含量在0．055 ～0．060 及0．088 ～0．092 兩個區間，Ni 含量0．14 ～0．15、0．30 ～0．31、0．45 ～0．46 三個區間，做正交試驗，得出性能良好經濟適用的成分配比，試驗鋼的化學成分(見表1)。鑄錠后鍛成70 mm ×100 mm ×200 mm(厚×寬×長)坯，然后加熱到1190 ℃保溫1 h，在Φ450 mm 熱軋試驗軋機上進行軋制。其中再結晶區壓下率大于65%，未再結晶區壓下率大于55%，終軋溫度為820 ℃～890 ℃，軋制的成品厚度為7．5 mm。

表1 Q420D 熱軋叉車門架實驗槽鋼的化學成分(質量分數) %

根據GB/T 228—2002 制備拉伸試樣，并在MTS 拉伸試驗機上進行拉伸試驗，測定出鋼的力學性能。同時制備標準沖擊試樣，進行室溫、0 ℃、－20 ℃、－40 ℃的沖擊試驗。對軋制的試驗鋼制備取金相試樣，經拋光腐蝕，在金相顯微鏡上觀察試樣的金相組織，利用場發射掃描電鏡進一步觀察沖擊試樣斷口形態。

2 實驗室的實驗結果及討論

2．1 V－N 合金及Ni 含量對力學性能的影響

V－N 合金的加入量對叉車門架槽鋼的強度變化有較明顯的影響，加入量越多，強度提升越明顯。如圖1 所示，V 含量在0．088% ～0．092%之間的1號、2 號、3 號爐實驗鋼的屈服強度在460 MPa ～480 MPa之間，強度很接近。V 含量在0． 055% ～0．06%之間的4 號、5 號、6 號爐試驗鋼的屈服強度在400 MPa ～420 MPa 之間，強度也很接近。從強度方面來看，1、2、3 號爐試驗鋼能夠滿足耐低溫叉車門架槽鋼的強度要求，4 號、5 號、6 號強度不能滿足要求。因此從成分設計來看，應選擇0． 088% ～0．092%的V 含量。同時還可以看出，Ni 元素的含量變化對強度的影響非常小。

圖1 合金含量對鋼的屈服強度的影響

鎳元素的含量對門架槽鋼的沖擊韌性影響較大(如圖2、圖3 所示)。隨著鎳元素含量的增大，沖擊韌性相應提高。而釩含量對其沖擊性能的影響較小，綜合考慮性能及成本方面的要求，鎳元素0．3%左右的含量完全滿足耐低溫門架槽鋼的性能要求。

釩的微合金化主要采用釩鐵和釩氮合金，本實驗鋼選擇了鋼中加入釩氮合金來實現釩的微合金化，主要基于鋼種增氮能夠優化釩的析出，充分發揮釩的沉淀強化作用，同時氮在鋼中具有細化鐵素體晶粒的作用，二者優勢互補提高了鋼的強度及韌性［2］。鎳是面心立方晶格，其滑移面較多，易于發生滑移的方向也多，并且鎳元素與鐵元素原子序數接近，鎳能夠固溶與鐵素體基體中，并且均勻分布，強化了鐵素體基體，使其邊界敏感程度降低［3］。鎳元素的加入降低了奧氏體向珠光體轉變的溫度，使珠光體平均片層間距減小，珠光體得到細化，從而提高了其低溫沖擊韌性。

實驗中比較了不同釩含量的加入其強度變化，含量增加了0．02%左右，強度提高了40 Mpa。鎳元素的加入對鋼的強度影響較小，但對其低溫沖擊韌性影響較大，隨著鎳含量的增高，沖擊性能相應提高。通過力學性能分析，綜合成本及性能因素，選擇最合適的成分設計試驗方案2，即釩含量0．09%左右，鎳含量0．3%左右。并對試驗方案2 中的實驗鋼進行金相組織及掃描電鏡分析如圖4、圖5 所示。其結構主要由鐵素體及珠光體組成，晶粒度較為均勻，其晶粒度在8 ～8．5 級。沖擊試樣斷口成韌窩狀。

圖2 1 號、2 號、3 號爐實驗鋼沖擊韌性

圖3 4 號、5 號、6 號爐實驗鋼沖擊韌性

圖4 金相顯微組織100 ×

圖5 沖擊斷口SEM 形貌

3 Q420D 熱軋門架槽鋼的工業試驗

工業試驗在萊鋼型鋼熱連軋生產線進行，工藝技術路線為:鐵水預脫硫后運至轉爐冶煉，然后采用LF 精煉，精煉完畢后進行方坯連鑄工序，連鑄采用全保護澆注，方坯采用冷裝或者熱裝熱送的方式進入加熱爐，然后進入1 －3 軋機布置式生產線軋制。軋制的成品規格為140 mm × 50 mm × 12 mm ×14 mm。試驗鋼的化學成分及其工業試驗的力學性能分別見表2、表3。

從表3 可以看出，其性能完全滿足要求，進一步證明此試驗鋼的成分設計及其最終的軋制工藝生產出滿足要求的產品。

3．1 疲勞性能

叉車門架槽鋼在整個叉車部件中，屬于主要承重結構，保證門架在正載、偏載等工作情況下重復升降10 萬次，門架槽鋼起皮、壓痕在規定范圍內。如前所述，對工業試驗生產的140 mm × 50 mm ×12 mm×14 mm 門架槽鋼進行疲勞試驗。將工業試驗生產的C140 規格門架槽鋼焊接裝配成門架總成，裝配到臺架試驗機上，模擬工況進行10 萬次的臺架試驗，其工作環境溫度－20 ℃～20 ℃，測量其表面磨損量小于1 mm，與目前廣泛使用的HRB335材質的門架槽鋼在同等實驗條件下的表面磨損量1．42 mm 比較，其磨損量減少0．42 mm，性能更加優異，壽命比采用HRB335 材質提升40%以上。

表2 Q420D 熱軋叉車門架槽鋼的化學成分(質量分數) %

表3 Q420D 熱軋叉車門架槽鋼的力學性能

3．2 焊接性能

門架槽鋼的焊接性能對叉車的后期使用有重要影響，焊接性能不好容易在焊接過程中出現不能有效熔合或裂紋等缺陷，導致不能承受有效載荷而在使用過程中發生斷裂等事故。目前客戶衡量焊接性能的量化指標是碳當量Ceq。該試驗鋼的Ceq 值為0．42，產品在保證強度的同時可盡量降低碳當量。試驗將此門架槽鋼與Q235B、Q345B 和SM570 等鋼種進行焊接，經探傷均滿足Ⅰ級合格，焊接處強度均較槽鋼本身強度高，強度實驗過程中，Q235B、Q345B 和SM570 一側分別在302 Mpa、396 Mpa、405 Mpa，變形彎曲、焊接處未發生變化。焊接部位探傷和強度均合格，滿足叉車工藝技術要求。

3．3 表面硬度和耐磨性能

表面硬度和耐磨性能直接關系到門架槽鋼的使用壽命，在槽鋼中部取30 mm ×30 mm ×10 mm 的試樣，試樣上下兩面經磨制后，在Digital Hardness Tester XHB－2000 上測定硬度，實驗選用Φ2．5 mm金剛石圓壓頭，加載荷180 N 保持15 s。然后試樣經機加工成Φ 20 mm ×6．56 mm，兩平面表面粗糙度為0．18 μm ，在SRV 高溫摩擦磨損試驗機進行磨損測試。室溫下采用點接觸、干摩擦的二體直線往復式磨損15 min，主要參數:往復頻率50 Hz，接觸載荷200 N，行程1．00 mm。經測定硬度為310 HB，同時為更加清晰的比較出Q420D 的磨損性能。Q420D 材質門架槽鋼與HRB355、20MnSiV、Q420C材質的門架槽鋼相比具有更高的硬度和耐磨性能。如圖6 所示為不同材質表面硬度變化示意圖，圖7所示為不同材質的試樣經磨損試驗后磨損面表面形貌(磨坑面積)變化示意圖。圖6、7 中X 軸1、2、3、4分別表示HRB355、20MnSiV、Q420C、Q420D 四種不同材質的門架槽鋼。

圖6 不同材質表面硬度變化示意圖

圖7 不同材質磨損面積變化示意圖

從圖6、圖7 可以看出，磨損面積隨著材質的不斷變化，磨損面積在150242 μm2～91826 μm2之間減小，磨損量減小，同時硬度呈增大的趨勢。磨損量與磨損深度密切相關，四種不同材質的槽鋼的磨損深度分別為:114 μm、102 μm、87 μm、72 μm。磨損深度越大，磨損量越大，損壞更嚴重。

4 結論

通過V、Ni 微合金化，采用合理的成分配比，能夠達到Q420D 耐低溫門架槽鋼指標要求。其在溫度－12 ℃的環境中，滿載條件下的重復工作三萬次，運行效果較好。同時抗磨損能力較以往常用的門架槽鋼有所增強。V－N 合金的加入，氮元素與釩具有強的親和力，優化了釩的沉淀析出，增強了細晶強化和沉淀強化的效果，改善了鋼的強韌性結合效果，鎳元素的加入，發揮出了鎳元素沒有明顯的韌脆轉變溫度的優勢，大大提高了鋼種的低溫沖擊性能。Q420D 耐低溫門架槽鋼滿足了工業生產的需要，具有廣闊的市場前景。

［1］周長秀．C 型熱軋叉車門架槽鋼軋制缺陷的成因及改進［J］．軋鋼，2009，26(1):69 －71．

［2］王博，王德永，劉承軍，等． 氮－釩微合金化對低碳耐候鋼強韌性的影響［J］．鋼鐵釩鈦，2007，28(4):12 －16．

［3］陳思聯，林軍．晶內鐵素體型高強韌性微合金非調質鋼的進展［J］．特殊鋼，2005，26(3):35 －38．