非调质钢在工程机械上的应用现状及展望

张坤，马强

工程机械中大部分零部件均是使用钢铁材料，工程机械工作环境恶劣以及现代工程机械朝着大功率、低自重的方向发展。受车体结构空间限制，不可能通过扩大结构、加大发动机缸数来实现其高动力性，因此解决的方法只能是不断提高材料强度和加工精度，以此来提高零部件运行性能，减少动力损耗，提高输出动力。

非调质钢是近年来发展较为迅猛的一个钢种，是通过在中碳钢中添加微量（≤0.2%）合金元素（主要是Ti、V、Nb等），从而使其一项或几项力学性能指标具有明显变化的钢。如在钢中添加0.10%V时，能产生250MPa以上的强度增量，在特殊情况下甚至能增加300MPa。这种钢在欧美被称为微合金非调质中碳钢，日本则称之为非调质型结构钢或简称非调质钢。

1.非调质钢发展应用背景

自20世纪70年代德国THYSSEN公司开发出了第一种非调质钢49MnVS3来代替调质CK45钢制造汽车曲轴以来，非调质钢已经广泛应用于汽车领域，日本55%的轴类零件、75%的锻造结构件均已采用非调质钢制造，其中三菱汽车公司的转向系统和传动系统所用的热锻调质件几乎全部非调质化，丰田、住友等公司有90%的曲轴、75%连杆用非调质钢制造，德国大众用27MnSiVS6非调质钢制造的轿车连杆年产250万件。表1列出了国内外厂家将非调质钢应用到汽车上的实例。

2.非调质钢的特点

（1）在一定范围内，钢的强度随着碳含量的增加而提高，而碳含量的增加在提高强度的同时也降低了钢的韧性。弥散强化和固溶强化对非调质钢强度贡献比重较调质钢大，在非调质钢中可以减少碳的含量而依然获得与调质钢相同的强度。因此，相同强度的情况下非调质钢具有更好的韧性。

（2）非调质钢具有良好的切削加工性能 在硬度相同的情况下，具有铁素体-珠光体组织的非调质钢其切削加工性能比具有索氏体组织的调质结构钢好。

（3）非调质钢具有良好的表面强化特性 为了提高工程机械零件表面的耐磨性和疲劳强度，都要进行表面强化处理。与同等强度级别的调质钢相比，在同样渗氮和软氮化工艺条件下，非调质钢的渗层可以得到更高的硬度、更深的渗层，且渗氮处理后其心部硬度也不降低。

表1 国内外厂家将非调质钢应用到汽车上的实例

（4）非调质钢可省去占调质钢生产总成本6%的热处理费用。德国人用49MnVS3钢代替调质钢制造连杆可节约总成本的38%；日本爱知分析，非调质钢因省略调质处理这一工序，可使热锻产品的成本降低18%。

（5）由于省去了调质工序，从而节约劳动成本和生产管理成本。此外，对于已有热处理车间，可省去部分热处理设备的维护费用。

（6）非调质钢省去了调质工序，因此避免了工件的转运以及消除了热处理产生的变形，省去了校直工序，大大提高了生产效率。

（7）杜绝了调质过程中产生的废水、废气、废油，大大改善了生产现场的环境，有“绿色钢材”之称。

3.非调质钢在工程机械上的应用现状

工程机械涵盖的种类繁多，产品主要是起重机械、挖掘机械、钢筋混凝土机械、铲土运输机械、路面机械等18大类。在欧美和日本将非调质钢应用到上述机械上较为广泛，而在国内由于冶炼技术的落后以及低廉的调质费用，使得非调质钢用于工程机械领域缺少动力，因此尚处于起步阶段。

非调质钢在汽车领域的成功应用是一个很好的启示，汽车领域和工程机械领域有很多相通之处，如叉车和汽车从结构和动力上讲差别不大，因此可以将非调质钢应用到叉车的部件上。

液压缸是挖掘机、叉车等主机的强度构件。液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成，表2为将非调质钢应用到液压缸零件上的汇总表，该表列出了液压缸上各零部件对材料力学性能的要求。用非调质钢制造的零件均进行样机实测进行采集数据，结果显示采用的非调质钢均能达到技术要求。

占工程机械较大份额的挖掘机、履带式起重机以及推土机是履带式行走的工程机械，四轮一带（支重轮、驱动轮、引导轮、托轮和行走履带）产品是其配套部件。现代工程机械功率越来越大，机械本身的自重也增加，工作的灵活性要求也越来越高，因此，支重轮、驱动轮和履带是技术的关键。

日本首先将非调质钢应用于挖掘机支重轮轴上，取代碳素结构钢S43C、S45C和SCM435等材料。挖掘机支重轮主要由轮体和轴组成，承担着整个机身的重量，工作时还要承受更大的冲击，这些均要求支重轮轮体和轴要有很高的强度和韧性。支重轮轴除承担机身的重量外还具有让履带沿着轮子前进的功能，因此，要有较高的屈服强度以使轴不易弯曲，即较大的屈强比对支重轮轴使用是一个关键因素。日本某挖掘机制造企业用非调质钢取代用于制造支重轮轴的S45C取得了较好的效果，其工艺流程对比见表3。

由表3可见，使用非调质钢可取消粗车及调质工序，因此较大幅度地减少了加工及物流费用，使得产品更具有竞争力。

在欧美国家将非调质钢应用到支重轮轴上的技术也已经很成熟，如工程机械的领头羊美国卡特彼勒公司不仅在本土生产非调质钢支重轮轴，还与我国的钢铁公司合作开发非调质钢，用来装配其公司在我国生产的支重轮，从而减少物流成本。

表2 液压缸零件力学性能要求及用非调质钢替代相应零件实测结果

表3 支重轮轴使用调质钢和非调质钢的工艺路线对比

颚式破碎机是矿山、石场等进行物料破碎不可缺少的设备，其在工作时要承受相当大的冲击力。偏心轴是颚式破碎机重要的零件，为了保证颚式破碎机的可靠性，要求偏心轴具有良好的综合力学性能。传统的制造材料为45钢，其工艺流程复杂，调质过程易出现热处理缺陷，且能耗大。上海市建设路桥机械设备有限公司使用38MnVS6非调质钢代替了45钢取得了较好的应用效果。非调质钢还被应用于紧固件生产中，但仅限于国外少数企业。

综上可见，非调质钢大多是应用到轴类产品上，而在工程机械的轮体、结构件等部件上应用极少。非调质钢现在的种类极多，性能也较为稳定，应加快非调质钢在工程机械上的应用。

4.非调质钢在工程机械上的应用展望

非调质钢的性能优越，具有较好的可加工性和焊接性，这些均使其能够应用到工程机械领域。

工程机械中使用钢铁的底盘件品种较多，如挖掘机、推土机、履带式汽车起重机等。底盘件可概括为“四轮一带”，即引导轮、驱动轮、支重轮、托轮及履带总成。其中引导轮的主要作用是引导机体平稳运转，调节履带的张紧度，尤其是机器驶过岩石时。其轮体多为铸造件，而引导轮轴则为异形的台阶轴，其台阶处是进行局部加热，而后锻造而成，如图1所示。该轴制造工艺复杂，其热加工工艺流程中包含了调质、锻造以及感应淬火等工序。因其工艺复杂，在生产过程中需要消耗大量的管理费用、人工费用、电费等，易产生不合格件，从而导致其价格居高不下。若使用锻造用非调质钢代替原有的需调质的材料，可大大减少费用，提高生产效率。

我公司现在已开始尝试使用锻造非调质钢。使用非调质钢生产需锻造的产品应解决锻造后晶粒粗大的问题，图2为用非调质钢锻造引导轮轴前后的金相组织，可见经锻造后其晶粒异常粗大。表4为锻造前后其力学性能。可见其冲击性能、伸长率及断面收缩率下降较大。

为解决非调质钢锻造后其力学性能下降较多的问题，采用一种较为经济和方便的方法对锻造后的轴进行处理，处理后其力学性能见表4。由表4可见，经处理后轴的力学性能与锻造前力学性能相当且远优于锻造后的力学性能。目前我公司正努力推动此工艺在引导轮轴上的应用。

非调质钢在引导轮轴上的应用不仅可以降低企业生产成本、提高利润率，且由于其减少了生产环节，从而减少了生产中对环境的污染。简而言之，若非调质钢满足各项技术要求，那么其就可代替需经调质才能满足各项技术要求的材料。表5归纳总结了可用非调质钢替代的工程机械零部件。

图1 引导轮轴示意

图2 不同处理状态下金相图片

表4 不同处理状态下力学性能对比

表5 可用非调质钢制造的工程机械零部件汇总

可以看到，非调质钢在工程机械上的应用前景非常广阔，但是限于国内钢厂冶炼水平较低以及非调质钢价格偏高，使得非调质钢在工程机械上应用不多。因此，通过调整非调质钢中化学成分，提高精炼技术，提高铸坯成分偏析控制技术，钢中复相组织的开发等降低开发成本，研发出性能更高的非调质钢供工程机械使用。20140611