工程机械缸筒材料选择范文

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