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(yè)的發(fā)展，叉車得到廣泛的應(yīng)用，作為叉車最重要的部件門架槽鋼也在不斷的更新?lián)Q代，材質(zhì)由最初的HRB355 到20MnSiV，再到Q420C，產(chǎn)品的強(qiáng)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(shí)對其表面質(zhì)量、精度等有了更高的要求。對于寒冷地區(qū)及大型冷庫工作車間的叉車，其工作環(huán)境溫度在－10 ℃，甚至更低，這不僅對叉車的電子部件及發(fā)動(dòng)機(jī)提出了嚴(yán)格的要求，對于起主要支撐作用的門架槽鋼也有個(gè)更高的標(biāo)準(zhǔn)。這就要求門架槽鋼能夠滿足低溫環(huán)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(huán)境中發(fā)生脆斷等安全事故。本文介紹了Q420D 級(jí)別耐低溫叉車門架槽鋼的成分設(shè)計(jì)及工業(yè)化生產(chǎn)，通過試驗(yàn)應(yīng)用，門架槽鋼滿足低溫環(huán)境的使用要求，各方面性能及使用效果優(yōu)越。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

在實(shí)驗(yàn)室用ZG－0．05 真空感應(yīng)爐冶煉了六種不同V/Ni 含量成分的微合金試驗(yàn)鋼，通過V/Ni 微合金化發(fā)揮釩的沉淀強(qiáng)化及細(xì)化晶粒的作用，Ni 可降低韌脆轉(zhuǎn)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(gè)區(qū)間，Ni 含量0．14 ～0．15、0．30 ～0．31、0．45 ～0．46 三個(gè)區(qū)間，做正交試驗(yàn)，得出性能良好經(jīng)濟(jì)適用的成分配比，試驗(yàn)鋼的化學(xué)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?jiān)囼?yàn)軋機(jī)上進(jìn)行軋制。其中再結(jié)晶區(qū)壓下率大于65%，未再結(jié)晶區(qū)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(shí)驗(yàn)槽鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

根據(jù)GB/T 228—2002 制備拉伸試樣，并在MTS 拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測定出鋼的力學(xué)性能。同時(shí)制備標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，進(jìn)行室溫、0 ℃、－20 ℃、－40 ℃的沖擊試驗(yàn)。對軋制的試驗(yàn)鋼制備取金相試樣，經(jīng)拋光腐蝕，在金相顯微鏡上觀察試樣的金相組織，利用場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)一步觀察沖擊試樣斷口形態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2．1 V－N 合金及Ni 含量對力學(xué)性能的影響

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

圖1 合金含量對鋼的屈服強(qiáng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)鋼選擇了鋼中加入釩氮合金來實(shí)現(xiàn)釩的微合金化，主要基于鋼種增氮能夠優(yōu)化釩的析出，充分發(fā)揮釩的沉淀強(qiáng)化作用，同時(shí)氮在鋼中具有細(xì)化鐵素體晶粒的作用，二者優(yōu)勢互補(bǔ)提高了鋼的強(qiáng)度及韌性［2］。鎳是面心立方晶格，其滑移面較多，易于發(fā)生滑移的方向也多，并且鎳元素與鐵元素原子序數(shù)接近，鎳能夠固溶與鐵素體基體中，并且均勻分布，強(qiáng)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(zhuǎn)變的溫度，使珠光體平均片層間距減小，珠光體得到細(xì)化，從而提高了其低溫沖擊韌性。

實(shí)驗(yàn)中比較了不同釩含量的加入其強(qiáng)度變化，含量增加了0．02%左右，強(qiáng)度提高了40 Mpa。鎳元素的加入對鋼的強(qiáng)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(yīng)提高。通過力學(xué)性能分析，綜合成本及性能因素，選擇最合適的成分設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案2，即釩含量0．09%左右，鎳含量0．3%左右。并對試驗(yàn)方案2 中的實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行金相組織及掃描電鏡分析如圖4、圖5 所示。其結(jié)構(gòu)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(jí)。沖擊試樣斷口成韌窩狀。

圖2 1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)爐實(shí)驗(yàn)鋼沖擊韌性

圖3 4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)爐實(shí)驗(yàn)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(yè)試驗(yàn)

工業(yè)試驗(yàn)在萊鋼型鋼熱連軋生產(chǎn)線進(jìn)行，工藝技術(shù)路線為:鐵水預(yù)脫硫后運(yùn)至轉(zhuǎn)爐冶煉，然后采用LF 精煉，精煉完畢后進(jìn)行方坯連鑄工序，連鑄采用全保護(hù)澆注，方坯采用冷裝或者熱裝熱送的方式進(jìn)入加熱爐，然后進(jìn)入1 －3 軋機(jī)布置式生產(chǎn)線軋制。軋制的成品規(guī)格為140 mm × 50 mm × 12 mm ×14 mm。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分及其工業(yè)試驗(yàn)的力學(xué)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(jìn)一步證明此試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)及其最終的軋制工藝生產(chǎn)出滿足要求的產(chǎn)品。

3．1 疲勞性能

叉車門架槽鋼在整個(gè)叉車部件中，屬于主要承重結(jié)構(gòu)，保證門架在正載、偏載等工作情況下重復(fù)升降10 萬次，門架槽鋼起皮、壓痕在規(guī)定范圍內(nèi)。如前所述，對工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)的140 mm × 50 mm ×12 mm×14 mm 門架槽鋼進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。將工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)的C140 規(guī)格門架槽鋼焊接裝配成門架總成，裝配到臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上，模擬工況進(jìn)行10 萬次的臺(tái)架試驗(yàn)，其工作環(huán)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(zhì)的門架槽鋼在同等實(shí)驗(yàn)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(yōu)異，壽命比采用HRB335 材質(zhì)提升40%以上。

表2 Q420D 熱軋叉車門架槽鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表3 Q420D 熱軋叉車門架槽鋼的力學(xué)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(xiàn)不能有效熔合或裂紋等缺陷，導(dǎo)致不能承受有效載荷而在使用過程中發(fā)生斷裂等事故。目前客戶衡量焊接性能的量化指標(biāo)是碳當(dāng)量Ceq。該試驗(yàn)鋼的Ceq 值為0．42，產(chǎn)品在保證強(qiáng)度的同時(shí)可盡量降低碳當(dāng)量。試驗(yàn)將此門架槽鋼與Q235B、Q345B 和SM570 等鋼種進(jìn)行焊接，經(jīng)探傷均滿足Ⅰ級(jí)合格，焊接處強(qiáng)度均較槽鋼本身強(qiáng)度高，強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過程中，Q235B、Q345B 和SM570 一側(cè)分別在302 Mpa、396 Mpa、405 Mpa，變形彎曲、焊接處未發(fā)生變化。焊接部位探傷和強(qiáng)度均合格，滿足叉車工藝技術(shù)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(guān)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(jīng)磨制后，在Digital Hardness Tester XHB－2000 上測定硬度，實(shí)驗(yàn)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(jīng)機(jī)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(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損測試。室溫下采用點(diǎn)接觸、干摩擦的二體直線往復(fù)式磨損15 min，主要參數(shù):往復(fù)頻率50 Hz，接觸載荷200 N，行程1．00 mm。經(jīng)測定硬度為310 HB，同時(shí)為更加清晰的比較出Q420D 的磨損性能。Q420D 材質(zhì)門架槽鋼與HRB355、20MnSiV、Q420C材質(zhì)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(zhì)表面硬度變化示意圖，圖7所示為不同材質(zhì)的試樣經(jīng)磨損試驗(yàn)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(zhì)的門架槽鋼。

圖6 不同材質(zhì)表面硬度變化示意圖

圖7 不同材質(zhì)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(zhì)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(shí)硬度呈增大的趨勢。磨損量與磨損深度密切相關(guān)，四種不同材質(zhì)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(yán)重。

4 結(jié)論

通過V、Ni 微合金化，采用合理的成分配比，能夠達(dá)到Q420D 耐低溫門架槽鋼指標(biāo)要求。其在溫度－12 ℃的環(huán)境中，滿載條件下的重復(fù)工作三萬次，運(yùn)行效果較好。同時(shí)抗磨損能力較以往常用的門架槽鋼有所增強(qiáng)。V－N 合金的加入，氮元素與釩具有強(qiáng)的親和力，優(yōu)化了釩的沉淀析出，增強(qiáng)了細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的效果，改善了鋼的強(qiáng)韌性結(jié)合效果，鎳元素的加入，發(fā)揮出了鎳元素沒有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的優(yōu)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(yè)生產(chǎn)的需要，具有廣闊的市場前景。

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