建筑工程机械用钢的开发特点分析
据了解，近年来，随着能源需求增加和新兴国家工业基础建设的加快，建筑工程机械制造业得到了迅速发展。相应地，对建筑工程机械用钢的需求呈现出大幅度增加的趋势。虽然最近由于世界经济发展减速导致建筑工程机械用钢的需求量从某一时期开始下降，但可以预见，仍会有一定量的需求。
随着建筑工程机械向大型化发展和施工环境日益苛刻，对机械部件的高强度化、高耐磨性和高低温韧性提出了进一步的要求。此外，在焊接性、弯曲加工性等易加工性方面也提出了新的要求。
在钢材制造方面，随着微合金化技术的深入研究和新型热处理技术的发展，已经开发出全新的微观组织控制技术。在热处理方面，过去是在轧制生产线之外的离线设备上进行淬火回火，近年来，可以在与轧制线相连接的作业线上进行轧后在线直接淬火，并且利用在线加热装置进行快速加热回火的技术也已经实用化。由于热处理在线化，可以随时根据不同的钢材要求进行批量生产，制造出质量优良的钢材。
本文重点介绍在建筑工程机械结构件用高强度钢和磨损件用耐磨钢方面，近年来开发出的全新的组织控制技术和高性能钢材的情况。
1建筑工程机械用高强度钢
1.1高强度化和高韧性化
近年来，在建筑工程机械厚钢板使用领域内，由于起重机等设备的大型化和轻量化以及施工环境的苛刻化，对所用钢材的超高强度化和高韧性化的需求日益增加。为了适应这种市场需求，正在开发出以优良低温韧性为特征的屈服强度（YP）为685～1300MPa级的超高强度钢。
高强度钢通常是通过热处理（淬火+回火）制造成的。淬火有两种方法可以采用：轧制后空冷，然后再加热到奥氏体区进行淬火的再加热淬火法和轧制后不空冷直接淬火的直接淬火法。直接淬火法和控制轧制相结合可以对钢的组织进行精确控制。
从采用控制轧制后直接淬火的形变热处理技术开发出的YP960MPa级钢可以看出，未再结晶区轧制材与再结晶区轧制材相比，原始奥氏体晶粒得到很大的延伸，并且组织微细化。随着终轧温度的降低，强度增加的同时韧性也提高。强度和韧性综合提高的原因是形变热处理导致的位错密度增加和晶粒的有效细化。
回火一般是采用离线热处理炉进行的，但最近有文献报导了采用感应加热方式的在线型快速加热回火装置生产建筑工程机械厚钢板的事例。
从采用形变热处理和快速加热回火工艺提高低温韧性YP1100MPa级钢实例可以看出：形变热处理生成的高位错密度马氏体增加了回火时渗碳体析出的位置，并且在这种状态下快速加热回火，使渗碳体从马氏体板条界面和板条内部同时析出，实现了渗碳体析出均匀弥散。由于渗碳体是脆性断裂源，所以，经过形变热处理和快速加热回火的钢材，渗碳体充分均匀弥散，具有最良好的低温韧性。
1.2焊接性的提高
一般来说，对于高强度钢，随着强度的增加，韧性降低。因此，高强度钢同时兼备高强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当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当量情况下，获得与再加热淬火同等的强度。因此，采用直接淬火可有效提高钢的焊接性。
用Y型焊接裂纹实验研究YP685MPa和YP885MPa级钢焊接性的结果表明，两种钢在常温下都没有发现裂纹的产生。其原因是，选择适宜的合金成分，采用Nb、V、Ti等微合金化技术并运用直接淬火工艺。YP685MPa级钢的Ceq=0.39, YP885MPa级钢的Pcm=0.25，实现了低合金成分低碳当量的设计。
1.3抗延迟断裂特性的提高
对于钢铁材料，一般来说，抗拉强度超过1200MPa时，抗延迟断裂特性下降，因此，在YP1100MPa级以上的超高强度钢实用化时，必须提高钢材的抗延迟断裂特性。
通过研究快速加热回火渗碳体弥散化对形变热处理YP960MPa和YP1100MPa级钢抗延迟断裂特性的影响，可知低速加热回火的钢材渗碳体粗大，抗拉强度大于1100MPa时，抗延迟断裂安全性指数大大下降。与此不同，快速加热回火的钢材渗碳体弥散分布，即使抗拉强度达到1300MPa级，抗延迟断裂安全性指数也未下降，显示出良好的抗延迟断裂特性。
对于快速加热回火钢材，随着作为氢陷阱的渗碳体弥散化，钢中氢存在的地点也分散化，因此显示出良好的抗延迟断裂特性。
2耐磨钢
2.1对耐磨钢要求的特性
建筑工程机械磨耗部件耐磨性的提高对于原始制造成本和磨耗部件修补的流动成本都具有重要作用，一直是一个重要的研究课题。
为了提高耐磨性，迄今为止，在磨耗形态、磨耗机理、材料特性的影响等方面进行了许多研究，但是并没有充分揭示出内在的规律。然而，在实用方面，硬度增加可以提高耐磨性，这是人所共知的。因此对耐磨钢的开发，其着眼点主要是高硬度钢的开发。
实际应用的耐磨钢有低合金钢、高锰奥氏体钢、铸铁等。根据材料特性和用途的不同来区别使用这些耐磨钢。本文所论述的是使用最广泛的低合金耐磨钢。
对于低合金耐磨钢，在提高其耐磨性的同时，焊接性、韧性、弯曲性等加工性也是重要的特性。一般来说，为了提高耐磨性而增加钢的硬度会使加工性下降，所以，为了实现同时具有高耐磨性和高加工性进行了研究开发。
2.2耐磨性、焊接性和加工性的提高
一般来说，为了同时提高低合金耐磨钢的耐磨性和焊接性要对低合金耐磨钢进行热处理，使钢的基本组织是马氏体。微量添加可显著提高淬透性的B是重要的。1970年以后开发出含B低合金耐磨钢板。
表1 低合金耐磨钢板的特性
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钢级 厚度 化学成分/% 碳当量 力学性能
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
钢的耐磨性通常是通过硬度的增加来提高的。马氏体的硬度和C含量有着相关关系。因此，在进行低合金耐磨钢的成分设计时，根据目标硬度调整C含量和为得到马氏体确保淬透性是十分重要的。另外，考虑到焊接性的问题，应避免过多地添加合金元素Ni、Cr、Mo。现在已经开发出限制碳当量上限来提高焊接性的低合金耐磨钢板。用ASTM G-65规定的橡胶轮磨耗实验等方法对耐磨性进行评价。HB400级钢、HB500级钢的耐磨性分别是SS400钢的2～4倍和4～8倍。
此外，已经开发出不显著提高钢基体的硬度，也能提高耐磨性的材料设计方法。通过使大量硬质相弥散分布在基体的方法，可以获得超过按基体硬度预计的耐磨性。虽然钢的表面硬度是HB450级，但其耐磨性约为HB500级钢的1.5倍，显示出良好的耐磨性。
2.3低温韧性的提高
对于在高山和北美等寒冷地区使用的耐磨钢板，提高其低温韧性的要求日益强烈。
过去，耐磨钢的材质设计，一般主要进行提高耐磨性的高硬度化设计，设计的关注点不在韧性改善方面。对于马氏体钢来说，控制韧性的组织单元是马氏体束，马氏体束的尺寸随着原始奥氏体晶粒的细化而变小。
因此，晶粒细化对于提高耐磨钢的低温韧性是有效的。现在已经开发的高性能耐磨钢板，通过添加Nb、V、Ti等微合金化元素，利用这些元素弥散析出物的钉扎作用，实现晶粒细化，提高了耐磨钢的低温韧性。图1表示出低温韧性良好的耐磨钢板的原始奥氏体晶粒尺寸和夏比冲击特性。与传统钢相比，高性能耐磨钢板的晶粒细化，在-40℃的低温区仍具有良好的夏比冲击特性。预期今后将进一步增加对高性能耐磨钢板的需求。
2.4提高抗断裂性
对于耐磨钢板，当抗拉强度高达1200～1600MPa时，常常因气割和焊接导致氢的侵入而发生延迟断裂。这种延迟断裂通常观察到的是晶界断口，因此，为抑制延迟断裂，必须强化晶界。采取的措施是降低P等易产生晶界偏析的杂质元素含量，同时进行晶粒细化。
此外，为降低来自焊接材料的氢，手工电弧焊普遍使用了低氢型实心焊丝CO2保护焊，这种焊接方法显示出抑制焊接裂纹的效果。并且，焊前预热、焊后保养等施工管理也是重要对策。
今后为满足进一步提高耐磨性的要求，应开发更高强度、更高硬度的耐磨钢，并使之实用化。为此，在提高材料抗延迟断裂特性的同时，用户的施工管理必须加强，耐磨钢板制造厂家和用户的密切协作是十分重要的。
3 结语
可以认为，建筑工程机械和其他产业领域一样，来自环境和安全性方面的提高性能的要求今后将进一步变得迫切起来。在环境方面，CO2排放量的削减、轻量化降低燃料消耗的要求将进一步提高。建筑工程机械用钢的高强度化趋势今后将持续下去。在设备生命周期成本方面，要求降低设备修补费用，所以必须进一步提高钢的耐磨性。在提高钢的强度和耐磨性的同时，在安全性方面防止延迟断裂的措施也十分重要。可以认为，在提高抗断裂性技术方面，耐磨钢板制造厂家和用户的密切协作比过去变得更加重要。
在耐磨钢板制造技术方面，近年来开发出形变热处理和在线快速加热回火工艺使碳化物均匀弥散化的新的突破性技术。实现了在提高生产率的同时，提高钢材的强韧性和抗延迟断裂性。今后将在新钢材成分设计和制造技术方面进一步开展研发工作，进行超前于用户需求的产品开发。