Q420D热轧高强耐低温叉车门架槽钢的研究开发

刘 圣

(山东钢铁股份有限公司莱芜分公司)

0 引言

随着物流业的发展，叉车得到广泛的应用，作为叉车最重要的部件门架槽钢也在不断的更新换代，材质由最初的HRB355 到20MnSiV，再到Q420C，产品的强度、冲击韧性、疲劳性能、焊接性能等都有了不同程度的提高［1］。同时对其表面质量、精度等有了更高的要求。对于寒冷地区及大型冷库工作车间的叉车，其工作环境温度在－10 ℃，甚至更低，这不仅对叉车的电子部件及发动机提出了严格的要求，对于起主要支撑作用的门架槽钢也有个更高的标准。这就要求门架槽钢能够满足低温环境的要求，尤其是要提高叉车门架槽钢的低温冲击韧性，才不至于在极端环境中发生脆断等安全事故。本文介绍了Q420D 级别耐低温叉车门架槽钢的成分设计及工业化生产，通过试验应用，门架槽钢满足低温环境的使用要求，各方面性能及使用效果优越。

1 实验材料及方法

在实验室用ZG－0．05 真空感应炉冶炼了六种不同V/Ni 含量成分的微合金试验钢，通过V/Ni 微合金化发挥钒的沉淀强化及细化晶粒的作用，Ni 可降低韧脆转变温度提高低温冲击韧性的作用。取V含量在0．055 ～0．060 及0．088 ～0．092 两个区间，Ni 含量0．14 ～0．15、0．30 ～0．31、0．45 ～0．46 三个区间，做正交试验，得出性能良好经济适用的成分配比，试验钢的化学成分(见表1)。铸锭后锻成70 mm ×100 mm ×200 mm(厚×宽×长)坯，然后加热到1190 ℃保温1 h，在Φ450 mm 热轧试验轧机上进行轧制。其中再结晶区压下率大于65%，未再结晶区压下率大于55%，终轧温度为820 ℃～890 ℃，轧制的成品厚度为7．5 mm。

表1 Q420D 热轧叉车门架实验槽钢的化学成分(质量分数) %

根据GB/T 228—2002 制备拉伸试样，并在MTS 拉伸试验机上进行拉伸试验，测定出钢的力学性能。同时制备标准冲击试样，进行室温、0 ℃、－20 ℃、－40 ℃的冲击试验。对轧制的试验钢制备取金相试样，经抛光腐蚀，在金相显微镜上观察试样的金相组织，利用场发射扫描电镜进一步观察冲击试样断口形态。

2 实验室的实验结果及讨论

2．1 V－N 合金及Ni 含量对力学性能的影响

V－N 合金的加入量对叉车门架槽钢的强度变化有较明显的影响，加入量越多，强度提升越明显。如图1 所示，V 含量在0．088% ～0．092%之间的1号、2 号、3 号炉实验钢的屈服强度在460 MPa ～480 MPa之间，强度很接近。V 含量在0． 055% ～0．06%之间的4 号、5 号、6 号炉试验钢的屈服强度在400 MPa ～420 MPa 之间，强度也很接近。从强度方面来看，1、2、3 号炉试验钢能够满足耐低温叉车门架槽钢的强度要求，4 号、5 号、6 号强度不能满足要求。因此从成分设计来看，应选择0． 088% ～0．092%的V 含量。同时还可以看出，Ni 元素的含量变化对强度的影响非常小。

图1 合金含量对钢的屈服强度的影响

镍元素的含量对门架槽钢的冲击韧性影响较大(如图2、图3 所示)。随着镍元素含量的增大，冲击韧性相应提高。而钒含量对其冲击性能的影响较小，综合考虑性能及成本方面的要求，镍元素0．3%左右的含量完全满足耐低温门架槽钢的性能要求。

钒的微合金化主要采用钒铁和钒氮合金，本实验钢选择了钢中加入钒氮合金来实现钒的微合金化，主要基于钢种增氮能够优化钒的析出，充分发挥钒的沉淀强化作用，同时氮在钢中具有细化铁素体晶粒的作用，二者优势互补提高了钢的强度及韧性［2］。镍是面心立方晶格，其滑移面较多，易于发生滑移的方向也多，并且镍元素与铁元素原子序数接近，镍能够固溶与铁素体基体中，并且均匀分布，强化了铁素体基体，使其边界敏感程度降低［3］。镍元素的加入降低了奥氏体向珠光体转变的温度，使珠光体平均片层间距减小，珠光体得到细化，从而提高了其低温冲击韧性。

实验中比较了不同钒含量的加入其强度变化，含量增加了0．02%左右，强度提高了40 Mpa。镍元素的加入对钢的强度影响较小，但对其低温冲击韧性影响较大，随着镍含量的增高，冲击性能相应提高。通过力学性能分析，综合成本及性能因素，选择最合适的成分设计试验方案2，即钒含量0．09%左右，镍含量0．3%左右。并对试验方案2 中的实验钢进行金相组织及扫描电镜分析如图4、图5 所示。其结构主要由铁素体及珠光体组成，晶粒度较为均匀，其晶粒度在8 ～8．5 级。冲击试样断口成韧窝状。

图2 1 号、2 号、3 号炉实验钢冲击韧性

图3 4 号、5 号、6 号炉实验钢冲击韧性

图4 金相显微组织100 ×

图5 冲击断口SEM 形貌

3 Q420D 热轧门架槽钢的工业试验

工业试验在莱钢型钢热连轧生产线进行，工艺技术路线为:铁水预脱硫后运至转炉冶炼，然后采用LF 精炼，精炼完毕后进行方坯连铸工序，连铸采用全保护浇注，方坯采用冷装或者热装热送的方式进入加热炉，然后进入1 －3 轧机布置式生产线轧制。轧制的成品规格为140 mm × 50 mm × 12 mm ×14 mm。试验钢的化学成分及其工业试验的力学性能分别见表2、表3。

从表3 可以看出，其性能完全满足要求，进一步证明此试验钢的成分设计及其最终的轧制工艺生产出满足要求的产品。

3．1 疲劳性能

叉车门架槽钢在整个叉车部件中，属于主要承重结构，保证门架在正载、偏载等工作情况下重复升降10 万次，门架槽钢起皮、压痕在规定范围内。如前所述，对工业试验生产的140 mm × 50 mm ×12 mm×14 mm 门架槽钢进行疲劳试验。将工业试验生产的C140 规格门架槽钢焊接装配成门架总成，装配到台架试验机上，模拟工况进行10 万次的台架试验，其工作环境温度－20 ℃～20 ℃，测量其表面磨损量小于1 mm，与目前广泛使用的HRB335材质的门架槽钢在同等实验条件下的表面磨损量1．42 mm 比较，其磨损量减少0．42 mm，性能更加优异，寿命比采用HRB335 材质提升40%以上。

表2 Q420D 热轧叉车门架槽钢的化学成分(质量分数) %

表3 Q420D 热轧叉车门架槽钢的力学性能

3．2 焊接性能

门架槽钢的焊接性能对叉车的后期使用有重要影响，焊接性能不好容易在焊接过程中出现不能有效熔合或裂纹等缺陷，导致不能承受有效载荷而在使用过程中发生断裂等事故。目前客户衡量焊接性能的量化指标是碳当量Ceq。该试验钢的Ceq 值为0．42，产品在保证强度的同时可尽量降低碳当量。试验将此门架槽钢与Q235B、Q345B 和SM570 等钢种进行焊接，经探伤均满足Ⅰ级合格，焊接处强度均较槽钢本身强度高，强度实验过程中，Q235B、Q345B 和SM570 一侧分别在302 Mpa、396 Mpa、405 Mpa，变形弯曲、焊接处未发生变化。焊接部位探伤和强度均合格，满足叉车工艺技术要求。

3．3 表面硬度和耐磨性能

表面硬度和耐磨性能直接关系到门架槽钢的使用寿命，在槽钢中部取30 mm ×30 mm ×10 mm 的试样，试样上下两面经磨制后，在Digital Hardness Tester XHB－2000 上测定硬度，实验选用Φ2．5 mm金刚石圆压头，加载荷180 N 保持15 s。然后试样经机加工成Φ 20 mm ×6．56 mm，两平面表面粗糙度为0．18 μm ，在SRV 高温摩擦磨损试验机进行磨损测试。室温下采用点接触、干摩擦的二体直线往复式磨损15 min，主要参数:往复频率50 Hz，接触载荷200 N，行程1．00 mm。经测定硬度为310 HB，同时为更加清晰的比较出Q420D 的磨损性能。Q420D 材质门架槽钢与HRB355、20MnSiV、Q420C材质的门架槽钢相比具有更高的硬度和耐磨性能。如图6 所示为不同材质表面硬度变化示意图，图7所示为不同材质的试样经磨损试验后磨损面表面形貌(磨坑面积)变化示意图。图6、7 中X 轴1、2、3、4分别表示HRB355、20MnSiV、Q420C、Q420D 四种不同材质的门架槽钢。

图6 不同材质表面硬度变化示意图

图7 不同材质磨损面积变化示意图

从图6、图7 可以看出，磨损面积随着材质的不断变化，磨损面积在150242 μm2～91826 μm2之间减小，磨损量减小，同时硬度呈增大的趋势。磨损量与磨损深度密切相关，四种不同材质的槽钢的磨损深度分别为:114 μm、102 μm、87 μm、72 μm。磨损深度越大，磨损量越大，损坏更严重。

4 结论

通过V、Ni 微合金化，采用合理的成分配比，能够达到Q420D 耐低温门架槽钢指标要求。其在温度－12 ℃的环境中，满载条件下的重复工作三万次，运行效果较好。同时抗磨损能力较以往常用的门架槽钢有所增强。V－N 合金的加入，氮元素与钒具有强的亲和力，优化了钒的沉淀析出，增强了细晶强化和沉淀强化的效果，改善了钢的强韧性结合效果，镍元素的加入，发挥出了镍元素没有明显的韧脆转变温度的优势，大大提高了钢种的低温冲击性能。Q420D 耐低温门架槽钢满足了工业生产的需要，具有广阔的市场前景。

［1］周长秀．C 型热轧叉车门架槽钢轧制缺陷的成因及改进［J］．轧钢，2009，26(1):69 －71．

［2］王博，王德永，刘承军，等． 氮－钒微合金化对低碳耐候钢强韧性的影响［J］．钢铁钒钛，2007，28(4):12 －16．

［3］陈思联，林军．晶内铁素体型高强韧性微合金非调质钢的进展［J］．特殊钢，2005，26(3):35 －38．