S890 高强度无缝钢管在液压支架立柱中的应用研究

孙建明

兖矿东华重工有限公司 山东邹城 273500

随 着液压支架向大工作阻力和高可靠性方向发展，对液压支架立柱使用的钢管提出了新的要求，要求其具有更高强度、塑性和良好的抗冲击性。因此，从原材料、热处理、焊接等方面，对新型材料S890 厚壁管的制造工艺进行了研究。通过对 S890 的化学成分进行分析，掌握其 CCT 曲线及碳当量等关键数据，经过一系列的工艺试验、理化试验，最终确定其热处理及焊接工艺参数。

1 材料分析

笔者以 S890 高强无缝钢管为研究对象，其化学成分和机械性能如表 1、2 所列。

表1 S890 钢管化学成分 (质量分数)Tab.1 Chemical composition of S890 steel pipe (mass fraction) %

表2 S890 钢管机械性能Tab.2 Mechanical properties of S890 steel pipe

根据表 1 数据，采用 JMatPro 仿真软件计算出S890 的等温转变曲线 (TTT)，如图 1 所示。S890 在奥氏体化后进行冷却过程中，析出铁素体、珠光体、贝氏体的初始温度分别为 792.9、710.9 和 566.6 ℃。马氏体的开始转变温度为 377.5 ℃。根据该曲线可知，过冷奥氏体会出现 2 个“鼻尖”，第1 个“鼻尖”温度为 587 ℃，在此温度保温 398 s 后有珠光体转变；第2 个“鼻尖”温度为 487 ℃，在此温度保温1.48 s 后有贝氏体转变。

图1 等温转变曲线Fig.1 Isothermal transformation curve

S890 的连续冷却曲线 (CCT) 如图 2 所示，由图2 可以看出，随着冷却速度的增加，铁素体和珠化体减少，贝氏体和马氏体增加，马氏体临界冷却速度为20 ℃/s。

图2 连续冷却曲线Fig.2 Continuous cooling curve

2 热处理工艺

本试验以某钢厂生产的 S890 热轧无缝钢管为研究对象，分析加热温度对原始奥氏体晶粒尺寸和淬火硬度的影响，回火温度对组织和硬度的影响以及调质后的力学性能，从而确定合适的调质热处理工艺。

2.1 加热温度

加热温度和保温时间直接影响着原始奥氏体晶粒尺寸和所加入微合金元素的固溶情况。根据液压支架立柱缸筒使用性能要求，需采用调质处理，以提高缸筒的强度、塑性和抗冲击性。由于 S890 为 Mo-Mn系合金钢，合金钢的淬火加热温度选用原则为Ac3(或Ac1)+(50～100) ℃[1]，淬火加热温度选择 930 ℃。

2.2 回火温度

在φ351×48 热轧管上取样，试样热处理试验工艺如表 3 所列，采用加热温度为 930 ℃，保温 120 min，水冷，回火温度分别为 660、630、620、610 和600 ℃ 的热处理制度进行整体试样热处理，分析回火温度对组织和机械性能的影响。

表3 试样热处理试验工艺Tab.3 Testing process of heat treatment of sample

热处理完成后，在壁厚 1/4 处取样进行拉伸和冲击检验，取全壁厚试样进行硬度检验，试验数据如表4 所列。

表4 试样热处理试验数据Tab.4 Testing data of heat treatment of sample

2.3 微观组织和力学性能

在整体试样热处理后的钢管中，分别在外表面和壁厚中心处检验钢管的显微组织及淬透性。钢管表面、壁厚中心处组织均为回火索氏体，各部位组织照片如图 3 所示。

图3 外表面和壁厚中心处的显微组织Fig.3 Microstructure of outer surface and wall center

2.4 晶粒度

在整体试样热处理后的钢管中，取壁厚 1/2 处试样检验钢管的实际晶粒度，钢管调质后实际晶粒度为8 级。

从液压支架立柱产品硬度 260～ 300HB 考虑，硬度太高会影响切屑，综合考虑回火温度选择 630 ℃。

因此，φ351×48 热轧管采用加热温度为 930 ℃，保温 120 min，水冷，回火温度为 630 ℃ 的热处理制度能够满足材料硬度、力学性能、显微组织等方面要求。

3 窄间隙焊接工艺

窄间隙焊接是采用焊丝的左右弯曲，带动电弧摆动，从而熔透坡口两侧，可实现一层一焊道焊接。由于导电嘴宽度窄，故需要的坡口宽度较窄，能够提高焊接效率，减少焊材，降低焊接热输入。

由于 S890 钢管具有较高的强度和硬度，焊接稳定性差，容易出现裂纹、未熔合及热影响区的性能变化，因此采用窄间隙焊接工艺进行试验研究。

3.1 焊接参数分析

3.1.1 焊接性能分析

碳当量是反映钢中化学成分对淬硬程度影响的重要参数，按照日本 JIS 推荐的碳当量计算方法[2]，

按照表 1 化学成分计算，S890 的碳当量值CE为0.64，这类钢淬硬倾向大，冷裂纹倾向较大，需要采取预热。

3.1.2 焊材

根据表 4 采用选定的调质工艺热处理后 S890 钢管的力学性能，确立焊材的强韧匹配等级。根据等强匹配原则，焊材选用 GHS76-G 焊丝。

3.1.3 裂纹敏感性分析

S890 的焊接性差，易产生冷裂纹，影响产生冷裂纹的化学成分的碳当量

通过计算，S890 的CET=0.39，考虑母材的CET值对预热温度的影响，用以下公式

计算得TPCET=142 ℃。综合考虑化学成分、厚度、焊缝金属氢含量、热输入及应力水平，焊接时预热温度采用 100～ 150 ℃。层间温度过高会对接头的性能造成损害，一般不超过 220 ℃。

3.2 焊接试验

3.2.1 坡口加工

窄间隙需要的坡口宽度较窄，尺寸如图 4 所示。

图4 窄间隙坡口尺寸示意Fig.4 Dimensional sketch of narrow-gap groove

3.2.2 焊接

采用窄间隙设备 GHS76-G 焊丝多层单道焊接，保护气体为 80% Ar+20% CO2，气体流量为 15～ 20 L/min，焊前预热温度为 140 ℃，控制层间温度不超过 220 ℃，焊后保温缓冷。

3.2.3 焊后性能检验

对焊接接头进行超声波探伤、拉伸、弯曲、冲击、硬度检验，结果如表 5 所列。

表5 S890 整体试样热处理试验工艺Tab.5 Testing process of heat treatment of whole S890 sample

由表 5 可知，焊缝的力学性能与母材相当，且有良好的抗冲击性能。因此，通过采用焊前预热、焊后缓冷，减少热输入、控制层间温度等工艺措施，能够获得良好的焊接性能。

4 结语

结合 S890 新材料在液压支架立柱的应用工艺研究，从原材料、热处理、窄间隙焊接方面展开研究，获得了适用于液压支架立柱产品的成功工艺方案，为高性能、高可靠性液压支架立柱设计及加工制造提供了保障。