V 元素对工程机械液压缸用钢管性能的改善

王家聪，刘庆教，韦金钰，刘贤翠，刘 洋

（徐州徐工液压件有限公司，江苏 徐州 221004）

我国是工程机械制造大国，国内工程机械企业已经开发出千吨级超大型工程机械，实现了超大型工程机械产业市场国际化、产品高端化、技术前沿化。液压缸属于工程机械关键核心零部件，跟随主机大量出口到“一带一路”沿线各国。高强韧性、高精度钢管是制造高端液压缸的核心材料，按照目前的液压缸加工工艺，80%以上的液压缸缸筒材料都是使用冷拔钢管，可是，国内一直没有专门的冷拔钢管材料特别是高强韧性材料。探讨适合工程机械液压缸使用的冷拔钢管用高强韧性材料，对于行业的发展，有着非常重要的意义。

1 国内工程机械液压缸材料现状

目前，国内工程机械行业液压缸缸筒常用材料主要有20 钢、45 钢、25Mn、27SiMn 等钢管，这些材料或者是通过提高C 含量，达到提高材料强度性能的目的，譬如20 钢→45 钢；或者是通过加入Mn、Si 等元素提高钢材的性能，譬如25Mn、27SiMn，材料强度虽然提高了（表1～2）［1-3］，满足了液压缸的强度设计要求，可是，通过在钢材中提高C、Mn、Si 含量，材料的碳当量值提高，对材料的焊接性能、韧性都产生不利影响。

表1 我国常用冷拔管主要元素含量与碳当量理论计算值

表2 我国常用冷拔管成品性能

在液压缸加工过程中，复杂断面与连接尺寸处都不可避免进行焊接，而且液压缸外表面还会连接较多结构件，很多时候都无法进行焊前预热与焊后回火。如果材料的焊接性能不良，就可能对使用液压缸的工程机械造成较大安全隐患［4］。另外，工程机械放置在面对各种恶劣工况的施工工地，液压缸需要承受自然风向、环境温度、特殊地貌等产生的不同方向载荷，对液压缸材料的强韧性要求很高，材料韧性差，受到复杂交变应力时，极易发生液压缸缸筒爆缸、活塞杆疲劳断裂等机械事故，无法保证工程机械的可靠性。

2 国外工程机械液压缸材料对比分析

对比欧洲液压缸缸筒材料，基本上都是使用低碳合金钢，控制材料的C 与Si 含量（表3～6），通过添加V、Cr、Mo 等合金，在提高材料强度同时，保持材料的低碳当量值，并改善材料的韧性指标。

表3 瑞典STRUCTO 公司冷拔管材料主要元素含量与碳当量

表4 瑞典STRUCTO 公司冷拔管成品性能

表5 泰纳瑞斯（Tenaris）钢管材料主要元素含量与碳当量

表6 泰纳瑞斯（Tenaris）冷拔管成品性能

对比分析可以看出，国外液压缸冷拔管材料都不是普通的机械结构钢管，一般都是针对液压缸的特殊需要，进行特殊定制的低碳合金管。该材料通过降低碳当量值，提高焊接性能；通过添加微量合金元素，提高机械性能，从而保证此材料在高强度情况下，仍然具有很高的断后伸长率和低温冲击韧性。国外工程机械液压缸钢管尤其关注韧性指标，一般都要求断后伸长率在15%以上，-20 ℃冲击功均大于40 J。

3 开发适合国内液压缸行业使用的新材料

我国高精度冷拔钢管通过30 多年的发展，其制造水平已经能够满足国内液压缸行业需求，影响工程机械液压缸发展的主要是原材料性能。现在大量使用的冷拔坯料材质为20 钢、45 钢、25Mn、27SiMn，这些材料都是国内20 世纪60年代开发的，已经不能很好地满足现在工程机械液压缸的性能需求，主要体现在材料强度不高、材料焊接性能较差，材料冲击韧性特别是低温冲击韧性低，无法满足当代工程机械液压缸的使用要求。

2012年国内工程机械液压缸行业已经使用低合金高强度结构钢Q345 系列钢管制造液压缸［4］。后来，在冷拔过程中，发现普通Q345 材料冷拔管强度偏低，无法满足大型工程机械液压缸对材料性能的要求。为此，徐工集团工程机械股份有限公司（简称徐工集团）与国内大型钢管公司开展新材料合作开发，通过在Q345 材料中添加V 合金，提高材料性能，开发出XG550，满足了徐工集团工程机械液压缸需求。

新开发的XG550 材料中，主要对V 元素进行了下限控制，具体成分见表7。添加V 合金后，材料各项性能都得到明显改善，见表8。

表7 定制冷拔管材料XG550B 与Q345B 成分对比

表8 定制材料XG550B 与Q345B 冷拔管成品性能对比

4 添加V 元素对热轧钢管材料性能的改善

通过在Q345 系列材料中添加0.05%的V 元素，材料的强度与冲击性能明显大幅度提高。图1～2 分别列出湖南某钢管公司与湖北某钢管公司生产的热轧钢管，在材料中添加V 元素后，屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、冲击功的改善情况。

图1 湖南某钢管公司的热轧钢管性能对比

图2 湖北某钢管公司的热轧钢管性能对比

图1～2 数据可以看出，湖南某钢管公司材料添加0.05%的V 后，屈服强度提高11.34%，抗拉强度提高3.92%，断后伸长率提高1.44%，常温冲击功提高27.94%；湖北某钢管公司材料添加0.05%的V 后，屈服强度提高9.67%，抗拉强度提高4.24%，断后伸长率提高2.2%，-20 ℃冲击功提高3.47%，-40 ℃冲击功提高17.03%。

根据武汉理工大学材料研究与测试中心蒋蓉论文描述［5］，合金化是采用现代冶金生产流程生产的低成本的高强度钢铁产品，采用微合金化技术正成为传统钢铁生产向现代化冶金生产转变的标志［6］。实际生产中制备微合金化钢一般是通过添加V、Ti、Nb 等（一般质量分数小于0.1%）合金元素，对钢的微观结构和力学性能有显著改善［7］。

从微观组织理论分析，微合金元素V 位于元素周期表中的VB 族，与Fe 一起都属于过渡族元素。V 具有体心立方晶格，当它们固溶在Fe 中时，能与Fe 保持一定的共格关系。V 的电负性为1.63，与Fe 的电负性（1.83）相差不大，与Fe 有一定的固溶倾向［8］。V 具备形成氮化物和碳化物的能力，V 的氮化物和碳化物在奥氏体中几乎完全溶解，V 的化合物仅在γ/α 相变过程中或者相变后析出，析出物非常细小，有十分显著的析出强化效果［9-10］。通过对钢组织的微观结构考察，其强化机理主要来自于微合金元素的氮/碳化物在钢中的析出强化，铁素体和奥氏体的细晶强化，以及相变强化3 个方面［5］。

V 的氮/碳化物对奥氏体晶界的钉扎作用使相变后的铁素体晶粒得到细化［11］，提高了材料的断后伸长率与冲击韧性。从图1～2 力学性能试验数据可以看出，添加微量合金元素V 后，钢材的屈服强度得到明显提高，抗拉强度也得到提高，同时还保留了较好的塑性变形能力，这个特性为液压缸缸筒的冷拔加工带来了极大便利。

5 添加V 元素对冷拔钢管材料性能的改善

工程机械液压缸用冷拔钢管，在实际应用过程中区别不同工况，分别使用可以不添加V 的普通Q345 系列材料及必须添加V 的XG550 系列材料。材料中添加0.05%的V 元素后，其性能对比如图3所示。

图3 液压缸用冷拔钢管钢管性能对比

从图3 可以看出，液压缸用冷拔钢管添加了0.05%的V 后，屈服强度提高14.47%，抗拉强度提高2.31%，断后伸长率提高2.20%，室温冲击功提高17.67%。各项指标都很好地满足了工程机械液压缸使用要求，实际性能测量值均高于国外同类产品。

为了进一步满足超大型工程机械液压缸开发需求，通过对比GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》中Q420 材料，提高V 元素的合金含量，再次提高材料的强度指标，开发生产出XG720 材料［12-15］，冷拔管屈服强度可以达到720 MPa 以上，满足了徐工集团开发需要。

XG720，Q420 化学成分对比见表9。XG720材料是对Q420 的化学成分进行了一定范围的调整，主要包括：①提高了C 含量；②限制了Mn 的含量范围；③限定V 含量下限，采用单一细化晶粒元素V 替代Nb、V、Ti 组合，材料最终达到提高强度，细化晶粒，保证高韧性的目的。

表9 XG720、Q420 化学成分（质量分数）对比%

XG720 材料热轧钢管以正火态交货，其冷拔前后的力学性能对比见表10。

表10 XG720 正火态钢管与冷拔钢管力学性能对比

在拉伸测试过程中，XG720 冷拔管的抗拉强度为834～839 MPa，屈服强度为762～763 MPa，有明显的屈服点，断后伸长率达到了16%～18%，室温冲击功65～80 J，-20 ℃冲击功44～49 J，表现出了良好的韧性。在抗拉强度相当的情况下，冷拔提高了材料的强度而适当地降低了韧性，低成本满足使用要求。添加V 后，材料塑性、韧性指标的提高使液压缸更加适应恶劣工况的需求。

6 推广应用添加V 元素的高强韧性钢管

随着工程机械的发展，国内工程机械行业已经走到了世界第一阵营，特别是千吨级超大型工程机械使用的液压缸，制造水平国际领先，主机已大量出口到世界各地，特别是“一带一路”沿线国家。目前由于工程机械液压缸材料没有国家标准，大量使用的液压缸材料没有兼顾高强度和高韧性，材料使用不规范，对行业发展不利。

国内生产工程机械液压缸用精密钢管，每年至少需要100 万t 热轧钢管，徐工集团已经获得国家标准化管理委员会立项同意，主持编制《工程机械液压缸用精密无缝钢管》行业标准。徐工集团将添加V 元素的低合金高强度钢管在工程机械行业标准化，规范化，把V 元素在改善钢管性能上的作用尽快推广应用，进一步支撑民族工业装备发展和工程机械产品参与国际贸易。

7 结语

十多年的开发与应用发现，V 元素在改善钢管性能上具有广阔前景。工程机械液压缸行业的发展越来越依赖热轧钢管行业的大力支持，进一步研究V 元素对提高热轧管质量的影响，开发出更多适合工程机械液压缸使用的高强韧性新材料，才能够支撑我国液压缸制造能力发展，也才能够带动我国机械设备制造业水平极大飞跃，提升工程机械主机质量、降低制造成本，使我国真正发展成为一个制造业强国。