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1材料的力學性能

如表2所示，比較了幾種常用缸筒材料的力學性能，其中熱軋態的性能值都來源于國家標準，冷拔態的性能值來源于我們的企業標準；E355冷拔態性能指標來源于EN10305-1標準。20#、35#和45#鋼是通過增加鋼材中的碳含量達到了提高鋼材強度的目的，而Q345B材料碳含量小于0.2，屈服強度同45#鋼相當，且韌性明顯優于45#鋼；27SiMn主要是作為調質材料使用，其調質后屈服強度可達835MPa以上；25Mn的主要特點是沖擊韌性較好，熱軋鋼管在常溫下沖擊功可達71MPa以上，25Mn在油缸行業的使用狀態都是冷拔態，其在熱軋態時強度指標較低，無法滿足油缸的要求。Q345B由于具有良好的強度值與韌性，斷后伸長率指標也很高，除了可以直接使用熱軋態鋼管外，還特別適合冷拔生產，其冷拔后的各項性能大大優于45#鋼，與歐洲的E355材料相似。

材料的焊接性能目前評價材料焊接性能的主要指標是材料的碳當量，對比上述幾種鋼材的碳當量(如表1所示)，可見20#、35#和45#鋼隨著碳含量增加，強度提高，而碳當量明顯增加，材料的焊接性能降低較大。27SiMn、25Mn、Q345B和E355材料的碳當量均低于45#鋼。27SiMn在調質態使用強度較高，適合用于耐壓強度較高的液壓油缸；25Mn沖擊性能較好，宜用于受沖擊較大的油缸，如挖掘機等油缸；而Q345B具有較好的綜合性能，熱軋態的鋼管屈服強度與45#鋼相當，常溫下沖擊功可達到50J以上，且碳當量低于0.4，具有較好的焊接性能。使用Q345B材料制造油缸，強度性能不低于45#鋼，高于35#、20#鋼，焊接性能與20#接近，具有優良的綜合性能，各項指標都優于歐洲油缸材料E355材料，完全可以替代目前國內工程機械油缸行業大量使用的45#鋼。

2材料的組織與焊接性能試驗分析

1）材料的顯微組織圖圖1、圖2、圖3、圖4所示分別為Q345B鋼、45鋼、25Mn、27SiMn相同倍數的組織形貌，這些材料的顯微組織均為鐵素體+珠光體，由于材料的含碳量不同，圖形區別很明顯。由圖中可以看出，圖3顯示的25Mn試樣的組織相對其他3個試樣晶粒更加粗大并呈帶狀分布。

2）材料的焊接性能用試驗的方法對各種材料的焊縫區域進行組織分析，是最直觀的驗證材料焊接性能的方式。下面的試驗就是對不同的材料進行對接焊，檢驗其焊接區域的微觀組織形貌。1#試樣為45#鋼（左側）+25Mn（右側）焊接，焊縫宏觀形貌如圖5所示。從上面一系列示圖可以看出，1#試樣焊縫經多重焊，焊縫規整，未見氣孔等宏觀缺陷，母材為鐵素體＋珠光體的組織，二側材料的含碳量不同，晶粒大小也有明顯的差別，25Mn側晶粒粗大并呈帶狀分布。試樣過熱區的顯微組織未見馬氏體組織，但晶粒粗大，25Mn側明顯更粗大，魏氏組織嚴重，這點應該與其原始組織有關。過渡區與熔合區無異常組織。2#試樣為Q345B（左側）+45#（右側）鋼焊接，焊縫宏觀形貌如圖10所示。從上述一系列示圖可以看出，試樣焊縫經多重焊，焊縫規整，未見氣孔等宏觀缺陷。焊縫過熱區未見馬氏體組織，45#側晶粒粗大，呈魏氏組織分布，鐵素體有呈針狀，Q345B側晶粒也比原始狀態粗大，也有魏氏組織出現，但是效果明顯優于45#側。過渡區與熔合區無異常組織。3#試樣為27SiMn鋼焊接，焊接前將焊接件預熱到250°C，其焊縫宏觀形貌如圖17所示。從上述一系列示圖可以看出，3＃試樣過熱區的顯微組織為貝氏體組織，晶粒較粗大。母材為鐵素體＋珠光體的帶狀組織，珠光體明顯球化。可以看出，3＃試樣焊接溫度高，晶粒粗大，由于焊接件進行了預熱，冷卻速度有所降低，未出現馬氏體組織，形成了貝氏體組織。

3）試驗總結碳鋼焊接件的過熱區最容易出現的是魏氏組織（粗大的鐵素體與珠光體呈針、片狀），魏氏組織屬于材料的一種過熱組織，韌性很差，在油缸的使用過程中，由于受到不同方向的應力，很容易出現焊接微裂紋，最終導致爆缸事故的發生。試樣的過熱區組織與母材組織越接近，組織應力就越小，融合線及過熱區產生焊接缺陷的危險性就會減小，最終形成微裂紋的傾向也會較小。在上述3個檢驗試樣中，Q345B材料在焊接時沒有進行預熱與焊后回火，就可以達到比較滿意的結果，可以看出其性能是相對較優的。

焊接缺陷的出現與母材的原始組織也有很大的關系。合理選擇油缸材料，可以保證材料的原始組織均勻，避免在后續焊接加工過程中產生過熱缺陷。Q345B材料的原始組織也是上述中最優的。碳元素作為鋼中的主要元素之一，適當地增加其在鋼中的含量，可以達到提高材料強度的目的。可是，從上述試驗可以看出，在材料中增加C含量，必然會導致材料的焊接性能降低，存在焊接隱患。Q345B材料含碳量較低，由于合理地添加了合金元素，材料的強度指標提高了，可以達到45#鋼的強度值；另外，材料的晶粒細化了，再加上控制了材料的碳當量值，從而保證了材料在焊接過程中不需要預熱與焊后退火處理，給油缸的加工帶來的很大的便利。

3結語

Q345B、45#鋼、25Mn、27SiMn這幾種缸筒常用材料，在焊接試驗中，Q345B表現相對較好，而且，其材料強度指標也比較合適，各項性能指標都優于歐洲油缸行業材料E355，完全可以滿足油缸的性能要求。所以，選擇Q345B鋼替代45#鋼，既可以滿足設計的強度要求，也滿足了油缸的加工性能、焊接性能要求，對于提高油缸產品質量，保證油缸的使用安全性具有很大的促進作用。

作者：陳登民王家聰單位：徐州徐工液壓件有限公司