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工程机械缸筒材料选择

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1材料的力学性能

如表2所示,比较了几种常用缸筒材料的力学性能,其中热轧态的性能值都来源于国家标准,冷拔态的性能值来源于我们的企业标准;E355冷拔态性能指标来源于EN10305-1标准。20#、35#和45#钢是通过增加钢材中的碳含量达到了提高钢材强度的目的,而Q345B材料碳含量小于0.2,屈服强度同45#钢相当,且韧性明显优于45#钢;27SiMn主要是作为调质材料使用,其调质后屈服强度可达835MPa以上;25Mn的主要特点是冲击韧性较好,热轧钢管在常温下冲击功可达71MPa以上,25Mn在油缸行业的使用状态都是冷拔态,其在热轧态时强度指标较低,无法满足油缸的要求。Q345B由于具有良好的强度值与韧性,断后伸长率指标也很高,除了可以直接使用热轧态钢管外,还特别适合冷拔生产,其冷拔后的各项性能大大优于45#钢,与欧洲的E355材料相似。

材料的焊接性能目前评价材料焊接性能的主要指标是材料的碳当量,对比上述几种钢材的碳当量(如表1所示),可见20#、35#和45#钢随着碳含量增加,强度提高,而碳当量明显增加,材料的焊接性能降低较大。27SiMn、25Mn、Q345B和E355材料的碳当量均低于45#钢。27SiMn在调质态使用强度较高,适合用于耐压强度较高的液压油缸;25Mn冲击性能较好,宜用于受冲击较大的油缸,如挖掘机等油缸;而Q345B具有较好的综合性能,热轧态的钢管屈服强度与45#钢相当,常温下冲击功可达到50J以上,且碳当量低于0.4,具有较好的焊接性能。使用Q345B材料制造油缸,强度性能不低于45#钢,高于35#、20#钢,焊接性能与20#接近,具有优良的综合性能,各项指标都优于欧洲油缸材料E355材料,完全可以替代目前国内工程机械油缸行业大量使用的45#钢。

2材料的组织与焊接性能试验分析

1)材料的显微组织图图1、图2、图3、图4所示分别为Q345B钢、45钢、25Mn、27SiMn相同倍数的组织形貌,这些材料的显微组织均为铁素体+珠光体,由于材料的含碳量不同,图形区别很明显。由图中可以看出,图3显示的25Mn试样的组织相对其他3个试样晶粒更加粗大并呈带状分布。

2)材料的焊接性能用试验的方法对各种材料的焊缝区域进行组织分析,是最直观的验证材料焊接性能的方式。下面的试验就是对不同的材料进行对接焊,检验其焊接区域的微观组织形貌。1#试样为45#钢(左侧)+25Mn(右侧)焊接,焊缝宏观形貌如图5所示。从上面一系列示图可以看出,1#试样焊缝经多重焊,焊缝规整,未见气孔等宏观缺陷,母材为铁素体+珠光体的组织,二侧材料的含碳量不同,晶粒大小也有明显的差别,25Mn侧晶粒粗大并呈带状分布。试样过热区的显微组织未见马氏体组织,但晶粒粗大,25Mn侧明显更粗大,魏氏组织严重,这点应该与其原始组织有关。过渡区与熔合区无异常组织。2#试样为Q345B(左侧)+45#(右侧)钢焊接,焊缝宏观形貌如图10所示。从上述一系列示图可以看出,试样焊缝经多重焊,焊缝规整,未见气孔等宏观缺陷。焊缝过热区未见马氏体组织,45#侧晶粒粗大,呈魏氏组织分布,铁素体有呈针状,Q345B侧晶粒也比原始状态粗大,也有魏氏组织出现,但是效果明显优于45#侧。过渡区与熔合区无异常组织。3#试样为27SiMn钢焊接,焊接前将焊接件预热到250°C,其焊缝宏观形貌如图17所示。从上述一系列示图可以看出,3#试样过热区的显微组织为贝氏体组织,晶粒较粗大。母材为铁素体+珠光体的带状组织,珠光体明显球化。可以看出,3#试样焊接温度高,晶粒粗大,由于焊接件进行了预热,冷却速度有所降低,未出现马氏体组织,形成了贝氏体组织。

3)试验总结碳钢焊接件的过热区最容易出现的是魏氏组织(粗大的铁素体与珠光体呈针、片状),魏氏组织属于材料的一种过热组织,韧性很差,在油缸的使用过程中,由于受到不同方向的应力,很容易出现焊接微裂纹,最终导致爆缸事故的发生。试样的过热区组织与母材组织越接近,组织应力就越小,融合线及过热区产生焊接缺陷的危险性就会减小,最终形成微裂纹的倾向也会较小。在上述3个检验试样中,Q345B材料在焊接时没有进行预热与焊后回火,就可以达到比较满意的结果,可以看出其性能是相对较优的。

焊接缺陷的出现与母材的原始组织也有很大的关系。合理选择油缸材料,可以保证材料的原始组织均匀,避免在后续焊接加工过程中产生过热缺陷。Q345B材料的原始组织也是上述中最优的。碳元素作为钢中的主要元素之一,适当地增加其在钢中的含量,可以达到提高材料强度的目的。可是,从上述试验可以看出,在材料中增加C含量,必然会导致材料的焊接性能降低,存在焊接隐患。Q345B材料含碳量较低,由于合理地添加了合金元素,材料的强度指标提高了,可以达到45#钢的强度值;另外,材料的晶粒细化了,再加上控制了材料的碳当量值,从而保证了材料在焊接过程中不需要预热与焊后退火处理,给油缸的加工带来的很大的便利。

3结语

Q345B、45#钢、25Mn、27SiMn这几种缸筒常用材料,在焊接试验中,Q345B表现相对较好,而且,其材料强度指标也比较合适,各项性能指标都优于欧洲油缸行业材料E355,完全可以满足油缸的性能要求。所以,选择Q345B钢替代45#钢,既可以满足设计的强度要求,也满足了油缸的加工性能、焊接性能要求,对于提高油缸产品质量,保证油缸的使用安全性具有很大的促进作用。

作者:陈登民王家聪单位:徐州徐工液压件有限公司

建筑机械杂志责任编辑:田老师    阅读:人次