油缸用高強(qiáng)韌性冷拔新材料XG720的開發(fā)

王家聰，羅海霞，楊立志，韋金鈺，葉海燕

（徐州徐工液壓件有限公司，江蘇徐州221004）

油缸用高強(qiáng)韌性冷拔新材料XG720的開發(fā)

王家聰，羅海霞，楊立志，韋金鈺，葉海燕

（徐州徐工液壓件有限公司，江蘇徐州221004）

分析了27SiMn液壓油缸發(fā)生爆缸后材料斷口的形貌與斷裂產(chǎn)生過程，并提出了一種高強(qiáng)韌性低碳當(dāng)量XG720材料；分析了XG720材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、機(jī)加工性能以及焊接性能。分析認(rèn)為：XG720材料的最大特點(diǎn)是熱軋正火狀態(tài)具有較高的強(qiáng)度與較好的韌性；冷拔加工后，XG720材料的性能完全優(yōu)于27SiMn冷拔狀態(tài)的性能，可以滿足精密鋼管的特殊要求。

精密鋼管；液壓油缸缸筒；XG720材料；冷拔；強(qiáng)韌性

1 開發(fā)背景

目前，國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)液壓油缸缸筒常用材料主要有20、45、27SiMn、25Mn等，這些材料或者是通過提高碳含量，達(dá)到提高材料強(qiáng)度性能的目的，或者是通過加入C、Mn、Si等元素提高鋼材的性能。采用上述方法雖然提高了材料強(qiáng)度，使之滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，但是因?yàn)樵黾恿虽摬闹械奶?、硅含量，必然會增大材料的碳?dāng)量，從而影響焊接性能。在油缸加工過程中，復(fù)雜斷面與連接尺寸處都不可避免地需要進(jìn)行焊接，油缸外表面在很多情況下都會連接較多結(jié)構(gòu)件，經(jīng)常無法進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后回火。若油缸材料的焊接性能較差，會給工程機(jī)械帶來安全隱患［1-4］。

研究發(fā)現(xiàn)，國外通過降低材料碳當(dāng)量來提高精密鋼管用材料的焊接性能；通過添加微量合金元素來改善材料的微觀組織，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，從而提高材料的綜合性能，保證材料既具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)又具有很高的韌性［5］。國外精密鋼管韌性指標(biāo)都較高，一般要求其斷后伸長率A∧15%，-20°C沖擊吸收功AkV2∧34 J［6-7］。國外油缸材料都不是普通的機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼，一般都是針對油缸的需要而特殊定制的低碳細(xì)晶粒合金鋼。

目前，國內(nèi)能夠同時(shí)滿足上述性能并可以進(jìn)行冷拔生產(chǎn)的材料很少。2010年，徐州徐工液壓件有限公司（簡稱徐工液壓）開始使用Q345B（D）材料制造油缸［8］，以替代原來的45鋼，可以滿足一般性能要求的油缸產(chǎn)品，但是在需要強(qiáng)度更高的油缸材料時(shí)，國內(nèi)就沒有可以選擇的材料。

目前，國內(nèi)高壓油缸缸筒多采用27SiMn調(diào)質(zhì)或冷拔精密鋼管，雖然其能夠保證足夠的強(qiáng)度性能，但也存在明顯的不足：27SiMn調(diào)質(zhì)管材料需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，成本高，成材率低（一般約為50%）；27SiMn材料焊接性能不好［9］，冷拔精密鋼管塑性低，斷后伸長率僅約為11%，室溫沖擊吸收功AkV2∧10 J，使用此材料制造的油缸產(chǎn)品，發(fā)生油缸爆缸事故概率較高。

2 27SiMn材料的斷裂分析

為了進(jìn)一步研究27SiMn材料的性能，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出滿足特殊需求的新材料，需分析27SiMn冷拔鋼管斷裂失效的原因。2008年，徐工液壓生產(chǎn)的1支27SiMn液壓油缸在使用過程中發(fā)生爆缸事故，在缸筒表面產(chǎn)生了一條縱向的大裂紋。

2.1 裂紋的宏觀形貌與產(chǎn)生過程分析

油缸裂紋的宏觀形貌如圖1所示，裂紋一頭沿縱向擴(kuò)展到油缸端部，總長約3 m，在油缸表面焊接的支承架下有一條明顯的、沿縱向擴(kuò)展后又拐彎變?yōu)闄M向的裂紋，支承架下裂紋形貌如圖2所示。

圖1 油缸裂紋的宏觀形貌

圖2 支承架下裂紋形貌

由圖1~2可知，裂紋在支承架下面分叉，將支承架去除，裂紋的分布形貌如圖3所示。在圖3中，A處是一個(gè)裂紋源，B處是另一個(gè)裂紋源，兩個(gè)裂紋源都起源于焊點(diǎn)。將A、B區(qū)裂紋源放大，形貌如圖4~5所示。圖4所示中裂紋源擴(kuò)展較少，可看到一個(gè)小月牙區(qū)（橢圓區(qū)域），放射線從焊點(diǎn)向外發(fā)散。圖5所示中裂紋源擴(kuò)展至整個(gè)管壁，呈一個(gè)大月牙區(qū)（橢圓區(qū)域）?？v向長裂紋斷口基本為人字紋，縱向裂紋斷口形貌如圖6所示。以上斷口均無明顯塑性變形，斷口形貌為清晰的放射線，可以判斷斷裂形式為脆性斷裂。

圖3 裂紋的分布形貌

圖4 A區(qū)裂紋源形貌

圖5 B區(qū)裂紋源形貌

圖6 縱向裂紋斷口形貌

A、B區(qū)域有明顯的先斷裂的擴(kuò)展區(qū)（月牙區(qū)），整個(gè)斷裂的產(chǎn)生階段分為3步：①A區(qū)小月牙最先形成，因擴(kuò)展區(qū)域小未形成斷裂；②B區(qū)大月牙擴(kuò)展速度快，穿越整個(gè)管壁后裂紋擴(kuò)展到沿縱向的應(yīng)力集中嚴(yán)重區(qū)，也就是A區(qū)的小月牙區(qū)；③當(dāng)橫向性能與縱向性能相同時(shí)，裂紋一般會沿?cái)嗔衙婧褪芰γ鏀U(kuò)展。27SiMn材料生產(chǎn)的油缸由于橫向韌性較差，在該區(qū)有嚴(yán)重的各向異性，所以裂紋沿縱向穿過A區(qū)擴(kuò)展為最后的大裂紋。

裂紋源位于焊點(diǎn)，分析認(rèn)為焊接時(shí)的熱影響區(qū)是引起裂紋的主要原因。為此分析焊縫各區(qū)域的微觀組織，以尋找造成斷裂的根本原因。

2.2 裂紋的顯微組織分析

在斷裂源處取樣，低倍觀察焊縫區(qū)附近的組織。焊點(diǎn)區(qū)組織形貌如圖7所示，過渡區(qū)與母材組織形貌如圖8所示。圖7所示自右分布為：焊縫區(qū)、過熱區(qū)、過渡區(qū)、母材區(qū)，圖8包括過渡區(qū)和母材區(qū)。從區(qū)域灰度級可知焊點(diǎn)處的組織差別較大，也就是組織應(yīng)力大。將各區(qū)組織再放大，其組織形貌如圖9所示。

圖7 焊點(diǎn)區(qū)組織形貌

圖8 過渡區(qū)與母材組織形貌

由圖9（b）可知，過熱區(qū)的組織為粗大的近似于片狀的淬火馬氏體組織，淬硬深度約為400μm，因馬氏體區(qū)分布在油缸的表面，很容易產(chǎn)生裂紋。結(jié)合宏觀分析結(jié)果，兩個(gè)裂紋源都產(chǎn)生在焊縫處，證實(shí)了裂紋是從馬氏體區(qū)開始擴(kuò)展。

2.3 斷裂產(chǎn)生原因與消除手段

從以上分析可知，該油缸產(chǎn)生的裂紋是從管外壁表面的焊縫處開始的，過熱區(qū)的片狀馬氏體組織韌性差，首先產(chǎn)生了微裂紋。片狀馬氏體具有高強(qiáng)度高硬度，但韌性很差，其特點(diǎn)是硬而脆。其原因是在片狀馬氏體中孿晶亞結(jié)構(gòu)的存在大大減少了有效滑移系；碳化物沿孿晶不均勻析出又使脆性進(jìn)一步增大；此外，片狀馬氏體中碳含量較高，晶格畸變大，淬火應(yīng)力大，還存在大量的顯微裂紋也是其韌性差的原因。該裂紋擴(kuò)展至橫向韌性較差的區(qū)域后，二次裂紋沿縱向迅速擴(kuò)展，最終形成貫穿整個(gè)油缸的長裂紋。消除該斷裂的根本手段就是要消除過熱區(qū)的脆性片狀馬氏體組織。

圖9 焊點(diǎn)區(qū)組織形貌

解決爆缸的最好方案是：選擇焊接性能優(yōu)良的材料，通過改進(jìn)焊接工藝，焊前對管壁預(yù)熱，焊后進(jìn)行保溫，降低冷卻速度，或者焊后對焊縫進(jìn)行退火?？傊?，一切工藝方法都是要保證焊后在過熱區(qū)不出現(xiàn)脆性片狀馬氏體組織及粗大的魏氏組織，這樣才能夠避免類似事故的發(fā)生。

3 一種高強(qiáng)韌性新材料的開發(fā)

為了尋找各項(xiàng)性能都能夠滿足要求的材料，徐工液壓聯(lián)合國內(nèi)某大型鋼管公司，共同開發(fā)生產(chǎn)出一種高強(qiáng)韌性低碳當(dāng)量材料。由于該材料與目前國內(nèi)合金鋼標(biāo)準(zhǔn)牌號都無法匹配，故命名為XG720（曾命名為XYQ420）［10-11］。

3.1 材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能

XG720材料的化學(xué)成分是對GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中低合金高強(qiáng)度鋼Q420的化學(xué)成分進(jìn)行了一定范圍的調(diào)整。主要包括：①提高了0.03%的w（C）；②縮小了Mn含量的偏差，限制Mn含量在上限范圍，從而保證材料的熱軋狀態(tài)性能也較高；③采用單一細(xì)化晶粒元素V替代Nb、V、Ti組合，并降低了Ni、Cu、Mo含量，從而達(dá)到提高材料強(qiáng)度和韌性、細(xì)化組織晶粒的目的。XG720、Q420、27SiMn材料的化學(xué)成分見表1。

表1 XG720、Q420、27SiMn材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

冷拔生產(chǎn)必須選擇退火態(tài)或者正火態(tài)的坯料，軟化后的材料有利于冷拔加工。XG720熱軋材料與27SiMn熱軋材料的性能對比見表2。由表2可知，XG720熱軋材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于27SiMn熱軋材料，特別是材料伸長率高、沖擊性能好，利于冷拔生產(chǎn)。

表2 XG720熱軋材料與27SiMn熱軋材料的性能對比

3.2 冷拔管的試制

選用XG720熱軋無縫鋼管做冷拔坯料，坯料規(guī)格Φ232 mm×18 mm，冷拔后規(guī)格Φ226 mm× Φ200 mm。冷拔工藝為：坯料退火→表面處理→冷拔Ⅰ→表面處理→冷拔Ⅱ→校直Ⅰ→成品退火→校直Ⅱ→下料測量。

其中，坯料退火溫度為（850±10）℃，成品退火溫度為（580±10）℃，隨爐冷卻至350℃出爐空冷。冷拔道次變形率為1.15~1.20，冷拔總變形量為1.37，控制內(nèi)孔不圓度≤0.2mm。XG720、27SiMn冷拔管的力學(xué)性能對比見表3。

由表3可知，27SiMn冷拔管的抗拉強(qiáng)度與XG720冷拔管的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。但XG720冷拔管與27SiMn冷拔管卻具有明顯不同的力學(xué)特性：XG720冷拔管在拉伸過程中有明顯的屈服點(diǎn)，表現(xiàn)出了良好的塑性；27SiMn冷拔管的抗拉強(qiáng)度在一個(gè)較大的范圍內(nèi)波動，表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，且27SiMn冷拔管在拉伸試驗(yàn)過程中一般不出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，斷后伸長率和沖擊吸收功都很低，表現(xiàn)出了明顯的脆性。

表3 XG720、27SiMn冷拔管的力學(xué)性能對比

在抗拉強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，材料塑性、韌性的提高使高強(qiáng)度液壓油缸能更加適應(yīng)惡劣工況。因此，相比于27SiMn冷拔管，XG720冷拔管更適合用于制造高壓油缸。采用XG720冷拔管可有效降低液壓油缸缸體因塑性不足而導(dǎo)致的爆裂。

3.3 材料的機(jī)加工性能

某液壓油缸缸筒的加工工藝路線是：熱軋管→酸洗磷化→冷拔→下料→校直→粗車削→刮削內(nèi)孔→焊接→精車削。其中，刮削內(nèi)孔和焊接是加工液壓油缸缸筒的關(guān)鍵工序，分別屬于材料的機(jī)加工性能與焊接性能，是此次新材料研究的主要關(guān)注點(diǎn)。

（1）內(nèi)孔尺寸及粗糙度。XG720冷拔管缸體采用意大利某公司的刮削滾光設(shè)備進(jìn)行內(nèi)孔加工。加工后采用內(nèi)徑百分表測量內(nèi)孔尺寸，采用粗糙度檢測儀檢測內(nèi)孔的表面粗糙度。XG720冷拔管刮削后內(nèi)孔尺寸偏差見表4。

由表4可知，XG720冷拔管兩端口內(nèi)孔圓度為0.07～0.08 mm，距離管端500 mm部位內(nèi)孔圓度在0.05 mm以內(nèi)。所以，XG720冷拔管刮削后內(nèi)孔尺寸穩(wěn)定，滿足液壓油缸缸體內(nèi)孔尺寸要求。

XG720冷拔管內(nèi)孔刮削后，內(nèi)孔呈光亮鏡面，每支鋼管在內(nèi)孔距離端口200 mm處檢測其表面粗糙度。XG720冷拔管刮削后內(nèi)孔表面粗糙度見表5。由表5可知，刮削后內(nèi)孔表面粗糙度集中在0.09～0.12μm，滿足內(nèi)孔表面粗糙度≤0.20μm的要求。

表4 XG720冷拔管刮削后內(nèi)孔尺寸偏差mm

表5 XG720冷拔管刮削后內(nèi)孔表面粗糙度μm

（2）刮削鐵屑。XG720冷拔管刮削后鐵屑形狀如圖10所示。鐵屑呈卷曲帶狀，說明材料韌性良好，不容易斷裂分開；鐵削長度不超過80mm，又不會纏繞刮削刀體和拉傷缸筒內(nèi)孔。這些現(xiàn)象綜合表明，XG720材料具有較好的切削加工性能。

圖10 XG720冷拔管刮削后鐵屑形狀

3.4 焊接性能

（1）材料碳當(dāng)量的計(jì)算。采用美國焊接學(xué)會的碳當(dāng)量計(jì)算公式［12］：Ceq=w（C）+w（Mn）/6+w（Si）/24+ w（Ni）/15+w（Cr）/5+w（Mo）/4+w（Cu）/13+w（P）/2，計(jì)算出XG720材料的Ceq為0.52%～0.66%，開發(fā)時(shí)特別要求控制其碳當(dāng)量Ceq≤0.55%；27SiMn材料的碳當(dāng)量Ceq為0.63%～0.79%，材料標(biāo)準(zhǔn)沒有提出特別控制要求?？梢?，XG720材料比27SiMn材料的碳當(dāng)量低12.6%～30.4%，表明XG720材料的焊接性能優(yōu)于27SiMn材料。

（2）焊接試驗(yàn)方法。試驗(yàn)中采用兩段同規(guī)格的XG720冷拔管進(jìn)行對接焊，焊接坡口形式為U型，焊接方法為氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為Ar和CO2混合氣，焊絲選用藥芯焊絲ER50-6。

（3）焊縫各區(qū)金相組織。XG720冷拔管焊縫宏觀形貌如圖11所示，各區(qū)金相組織形貌如圖12所示。由圖12可知，XG720冷拔管焊縫清晰，焊縫、熱影響區(qū)和母材各區(qū)組織形態(tài)差異明顯。焊縫中心組織為典型的平衡組織，細(xì)小的網(wǎng)狀先共析鐵素體均勻分布在珠光體基體上（圖12a）；熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織為板條狀馬氏體組織，是低碳鋼焊縫熱影響區(qū)的常見組織（圖12b）；熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)組織是珠光體基體和彌散分布的鐵素體組織（圖12c），此部分組織經(jīng)歷了二次重結(jié)晶相變過程，母材中的合金元素V細(xì)化了奧氏體晶粒，因此轉(zhuǎn)變后的珠光體晶粒非常細(xì)小，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化；母材組織為鐵素體+珠光體（圖12d）。

圖11 XG720冷拔管焊縫宏觀形貌

圖12 XG720冷拔管焊縫各區(qū)金相組織形貌

馬氏體的塑性和韌性主要取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。在相同屈服強(qiáng)度的條件下，板條狀馬氏體比片狀馬氏體的韌性更好，即在具有較高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，還具有相當(dāng)好的韌性和塑性。板條狀馬氏體中碳含量低，可以發(fā)生“自回火”，且碳化物分布均勻；其次在胞狀位錯亞結(jié)構(gòu)中位錯分布不均勻，存在低密度位錯區(qū)，為位錯提供了活動余地，由于位錯的運(yùn)動能緩和局部應(yīng)力集中。

從圖11~12可以看出：在焊接過程中，XG720焊縫和熱影響區(qū)組織發(fā)生了晶粒細(xì)化并產(chǎn)生了板條狀馬氏體。圖11（b）與圖9（b）相比，XG720材料焊接前晶粒細(xì)小，焊接后熱影響區(qū)馬氏體組織為板條狀，非易產(chǎn)生裂紋的片狀，且在熱影響區(qū)還產(chǎn)生了二次晶粒細(xì)化，減小了馬氏體組織的不利影響。

（4）焊縫沖擊性能。為進(jìn)一步驗(yàn)證XG720冷拔管的焊接性能，測試了焊接接頭處的室溫沖擊吸收功。XG720冷拔管焊縫的室溫沖擊吸收功見表6。

表6 XG720冷拔管焊縫的室溫沖擊吸收功J

由表6可知，XG720冷拔管的焊接接頭沖擊吸收功較高，能滿足高壓液壓油缸缸體對焊接性能的要求。XG720材料最大的特點(diǎn)是熱軋正火狀態(tài)具有較高的強(qiáng)度與好的韌性，冷拔加工后，性能完全優(yōu)于原27SiMn冷拔狀態(tài)的性能。

4 結(jié)語

（1）27SiMn材料已不能完全滿足工程機(jī)械用油缸行業(yè)的發(fā)展需求，其冷拔管產(chǎn)品在液壓油缸制造過程中有爆缸風(fēng)險(xiǎn)。

（2）XG720材料已經(jīng)開發(fā)使用4年，其各項(xiàng)性能滿足精密鋼管特殊要求。建議盡快將XG720材料加入我國合金鋼序列，加快其生產(chǎn)推廣速度，方便在冷拔精密鋼管與液壓油缸行業(yè)推廣使用。

（3）建議國內(nèi)鋼管企業(yè)，進(jìn)一步加大開發(fā)滿足精密鋼管行業(yè)需求的合金材料新品種的力度，開發(fā)更多滿足精密鋼管需求的新材料。

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Developm ent o f Hi-streng th/toughness Cold-d rawn XG720 Steel for Hyd raulic Cylinder Service

WANG Jiacong，LUOHaixia，YANG Lizhi，WEIJinyu，YE Haiyan
（Xuzhou XCMGHydraulics Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China）

Analyzed are the fracture morphology and rupturing generating process of the 27SiMn material as resulting from blow-out of the hydraulic cylinder.Based on the analysis result，the hi-strength/toughness，low carbon equivalent XG720 steel is proposed.A lso analyzed are the chem ical composition，mechanical properties，machinability and weldability of the XG720 steel.As a result，it is identified that the XG720 steelmostly features rather high strength and good toughness after being hot-rolled and normalized，while after being cold-drawn，its properties are quite better than the as-cold-drawn 27SiMn steel，havingmet the special requirement for the precision steel pipe.

precision steel pipe；hydraulic cylinder body；XG720 steel；cold-drawn；strength/toughness

TG356.5+2

B

1001-2311（2016）06-0009-06

2016-06-03）

王家聰（1968-），男，碩士，研究員級高級工程師，技術(shù)專家，主要從事冷拔鋼管以及工程機(jī)械油缸新材料的開發(fā)研究工作。