建筑工程機械用鋼的開發特點分析
據了解，近年來，隨著能源需求增加和新興國家工業基礎建設的加快，建筑工程機械制造業得到了迅速發展。相應地，對建筑工程機械用鋼的需求呈現出大幅度增加的趨勢。雖然最近由于世界經濟發展減速導致建筑工程機械用鋼的需求量從某一時期開始下降，但可以預見，仍會有一定量的需求。
隨著建筑工程機械向大型化發展和施工環境日益苛刻，對機械部件的高強度化、高耐磨性和高低溫韌性提出了進一步的要求。此外，在焊接性、彎曲加工性等易加工性方面也提出了新的要求。
在鋼材制造方面，隨著微合金化技術的深入研究和新型熱處理技術的發展，已經開發出全新的微觀組織控制技術。在熱處理方面，過去是在軋制生產線之外的離線設備上進行淬火回火，近年來，可以在與軋制線相連接的作業線上進行軋后在線直接淬火，并且利用在線加熱裝置進行快速加熱回火的技術也已經實用化。由于熱處理在線化，可以隨時根據不同的鋼材要求進行批量生產，制造出質量優良的鋼材。
本文重點介紹在建筑工程機械結構件用高強度鋼和磨損件用耐磨鋼方面，近年來開發出的全新的組織控制技術和高性能鋼材的情況。
1建筑工程機械用高強度鋼
1.1高強度化和高韌性化
近年來，在建筑工程機械厚鋼板使用領域內，由于起重機等設備的大型化和輕量化以及施工環境的苛刻化，對所用鋼材的超高強度化和高韌性化的需求日益增加。為了適應這種市場需求，正在開發出以優良低溫韌性為特征的屈服強度（YP）為685～1300MPa級的超高強度鋼。
高強度鋼通常是通過熱處理（淬火+回火）制造成的。淬火有兩種方法可以采用：軋制后空冷，然后再加熱到奧氏體區進行淬火的再加熱淬火法和軋制后不空冷直接淬火的直接淬火法。直接淬火法和控制軋制相結合可以對鋼的組織進行精確控制。
從采用控制軋制后直接淬火的形變熱處理技術開發出的YP960MPa級鋼可以看出，未再結晶區軋制材與再結晶區軋制材相比，原始奧氏體晶粒得到很大的延伸，并且組織微細化。隨著終軋溫度的降低，強度增加的同時韌性也提高。強度和韌性綜合提高的原因是形變熱處理導致的位錯密度增加和晶粒的有效細化。
回火一般是采用離線熱處理爐進行的，但最近有文獻報導了采用感應加熱方式的在線型快速加熱回火裝置生產建筑工程機械厚鋼板的事例。
從采用形變熱處理和快速加熱回火工藝提高低溫韌性YP1100MPa級鋼實例可以看出：形變熱處理生成的高位錯密度馬氏體增加了回火時滲碳體析出的位置，并且在這種狀態下快速加熱回火，使滲碳體從馬氏體板條界面和板條內部同時析出，實現了滲碳體析出均勻彌散。由于滲碳體是脆性斷裂源，所以，經過形變熱處理和快速加熱回火的鋼材，滲碳體充分均勻彌散，具有最良好的低溫韌性。
1.2焊接性的提高
一般來說，對于高強度鋼，隨著強度的增加，韌性降低。因此，高強度鋼同時兼備高強度和良好的焊接性是十分必要的。
通常，降低合金元素含量使碳當量降低是提高焊接性的有效方法。直接淬火法可以在更低的碳當量情況下，獲得與再加熱淬火同等的強度。因此，采用直接淬火可有效提高鋼的焊接性。
用Y型焊接裂紋實驗研究YP685MPa和YP885MPa級鋼焊接性的結果表明，兩種鋼在常溫下都沒有發現裂紋的產生。其原因是，選擇適宜的合金成分，采用Nb、V、Ti等微合金化技術并運用直接淬火工藝。YP685MPa級鋼的Ceq=0.39, YP885MPa級鋼的Pcm=0.25，實現了低合金成分低碳當量的設計。
1.3抗延遲斷裂特性的提高
對于鋼鐵材料，一般來說，抗拉強度超過1200MPa時，抗延遲斷裂特性下降，因此，在YP1100MPa級以上的超高強度鋼實用化時，必須提高鋼材的抗延遲斷裂特性。
通過研究快速加熱回火滲碳體彌散化對形變熱處理YP960MPa和YP1100MPa級鋼抗延遲斷裂特性的影響，可知低速加熱回火的鋼材滲碳體粗大，抗拉強度大于1100MPa時，抗延遲斷裂安全性指數大大下降。與此不同，快速加熱回火的鋼材滲碳體彌散分布，即使抗拉強度達到1300MPa級，抗延遲斷裂安全性指數也未下降，顯示出良好的抗延遲斷裂特性。
對于快速加熱回火鋼材，隨著作為氫陷阱的滲碳體彌散化，鋼中氫存在的地點也分散化，因此顯示出良好的抗延遲斷裂特性。
2耐磨鋼
2.1對耐磨鋼要求的特性
建筑工程機械磨耗部件耐磨性的提高對于原始制造成本和磨耗部件修補的流動成本都具有重要作用，一直是一個重要的研究課題。
為了提高耐磨性，迄今為止，在磨耗形態、磨耗機理、材料特性的影響等方面進行了許多研究，但是并沒有充分揭示出內在的規律。然而，在實用方面，硬度增加可以提高耐磨性，這是人所共知的。因此對耐磨鋼的開發，其著眼點主要是高硬度鋼的開發。
實際應用的耐磨鋼有低合金鋼、高錳奧氏體鋼、鑄鐵等。根據材料特性和用途的不同來區別使用這些耐磨鋼。本文所論述的是使用最廣泛的低合金耐磨鋼。
對于低合金耐磨鋼，在提高其耐磨性的同時，焊接性、韌性、彎曲性等加工性也是重要的特性。一般來說，為了提高耐磨性而增加鋼的硬度會使加工性下降，所以，為了實現同時具有高耐磨性和高加工性進行了研究開發。
2.2耐磨性、焊接性和加工性的提高
一般來說，為了同時提高低合金耐磨鋼的耐磨性和焊接性要對低合金耐磨鋼進行熱處理，使鋼的基本組織是馬氏體。微量添加可顯著提高淬透性的B是重要的。1970年以后開發出含B低合金耐磨鋼板。
表1 低合金耐磨鋼板的特性
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鋼級 厚度 化學成分/% 碳當量 力學性能
mm C Si Mn 其它 % 表面硬度HB 夏比吸收功/J
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HB400 15 0.12 0.5 1.4 Ti、Al、Nb、B 0.37(2 400 -
19 0.15 0.34 1.44 Cr、Ti、B 0.45(1 385 -
19 0.15 0.41 1.20 Nb、V、 Ti 等 0.39(2 390 65（-40℃）
HB500 10 0.24 0.25 0.7 Cr、Al、Nb、B 0.49(2 500 -
19 0.32 0.23 1.07 Cr、Ti、B 0.61(1 508 -
20 0.26 0.31 1.33 Nb、V、 Ti 等 0.53(2 500 42（-40℃）
HB600 8 0.41 0.2 0.5 Cr、Ni、Ti、Al、B 0.72(2 600 -
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（1）C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14
（2）C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5
鋼的耐磨性通常是通過硬度的增加來提高的。馬氏體的硬度和C含量有著相關關系。因此，在進行低合金耐磨鋼的成分設計時，根據目標硬度調整C含量和為得到馬氏體確保淬透性是十分重要的。另外，考慮到焊接性的問題，應避免過多地添加合金元素Ni、Cr、Mo。現在已經開發出限制碳當量上限來提高焊接性的低合金耐磨鋼板。用ASTM G-65規定的橡膠輪磨耗實驗等方法對耐磨性進行評價。HB400級鋼、HB500級鋼的耐磨性分別是SS400鋼的2～4倍和4～8倍。
此外，已經開發出不顯著提高鋼基體的硬度，也能提高耐磨性的材料設計方法。通過使大量硬質相彌散分布在基體的方法，可以獲得超過按基體硬度預計的耐磨性。雖然鋼的表面硬度是HB450級，但其耐磨性約為HB500級鋼的1.5倍，顯示出良好的耐磨性。
2.3低溫韌性的提高
對于在高山和北美等寒冷地區使用的耐磨鋼板，提高其低溫韌性的要求日益強烈。
過去，耐磨鋼的材質設計，一般主要進行提高耐磨性的高硬度化設計，設計的關注點不在韌性改善方面。對于馬氏體鋼來說，控制韌性的組織單元是馬氏體束，馬氏體束的尺寸隨著原始奧氏體晶粒的細化而變小。
因此，晶粒細化對于提高耐磨鋼的低溫韌性是有效的。現在已經開發的高性能耐磨鋼板，通過添加Nb、V、Ti等微合金化元素，利用這些元素彌散析出物的釘扎作用，實現晶粒細化，提高了耐磨鋼的低溫韌性。圖1表示出低溫韌性良好的耐磨鋼板的原始奧氏體晶粒尺寸和夏比沖擊特性。與傳統鋼相比，高性能耐磨鋼板的晶粒細化，在-40℃的低溫區仍具有良好的夏比沖擊特性。預期今后將進一步增加對高性能耐磨鋼板的需求。
2.4提高抗斷裂性
對于耐磨鋼板，當抗拉強度高達1200～1600MPa時，常常因氣割和焊接導致氫的侵入而發生延遲斷裂。這種延遲斷裂通常觀察到的是晶界斷口，因此，為抑制延遲斷裂，必須強化晶界。采取的措施是降低P等易產生晶界偏析的雜質元素含量，同時進行晶粒細化。
此外，為降低來自焊接材料的氫，手工電弧焊普遍使用了低氫型實心焊絲CO2保護焊，這種焊接方法顯示出抑制焊接裂紋的效果。并且，焊前預熱、焊后保養等施工管理也是重要對策。
今后為滿足進一步提高耐磨性的要求，應開發更高強度、更高硬度的耐磨鋼，并使之實用化。為此，在提高材料抗延遲斷裂特性的同時，用戶的施工管理必須加強，耐磨鋼板制造廠家和用戶的密切協作是十分重要的。
3 結語
可以認為，建筑工程機械和其他產業領域一樣，來自環境和安全性方面的提高性能的要求今后將進一步變得迫切起來。在環境方面，CO2排放量的削減、輕量化降低燃料消耗的要求將進一步提高。建筑工程機械用鋼的高強度化趨勢今后將持續下去。在設備生命周期成本方面，要求降低設備修補費用，所以必須進一步提高鋼的耐磨性。在提高鋼的強度和耐磨性的同時，在安全性方面防止延遲斷裂的措施也十分重要。可以認為，在提高抗斷裂性技術方面，耐磨鋼板制造廠家和用戶的密切協作比過去變得更加重要。
在耐磨鋼板制造技術方面，近年來開發出形變熱處理和在線快速加熱回火工藝使碳化物均勻彌散化的新的突破性技術。實現了在提高生產率的同時，提高鋼材的強韌性和抗延遲斷裂性。今后將在新鋼材成分設計和制造技術方面進一步開展研發工作，進行超前于用戶需求的產品開發。