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文 |程

编辑 |黎花梦汐

●○前言○●

随着煤炭综采技术的发展，对液压支架油缸提出了大工作阻力、高可靠性、高寿命的要求。超高端液压支架对油缸的高强度、高韧性、易焊接、高耐蚀性材料的开发研究提出了迫切要求。

油缸的缸筒材料目前以27SiMn、30CrMnSi和30CrMo为主，其强度、韧性、耐腐蚀性难以满足超高端液压油缸的使用要求。缸筒和缸底焊接组成油缸外缸。

基于S890钢的化学成分研究其热处理工艺、焊接工艺，研究缸筒材料的耐腐蚀性。通过热理工艺、焊接工艺试验，优化S890的热处理工艺和缸筒环缝焊接的焊接工艺，为S890钢管应用于液压油缸提供热处理工艺和焊接工艺参数依据。

通过对比S890与缸筒常用材料的力学性能和耐腐蚀性能，分析S890钢的力学性能和耐腐蚀性优势。

●○S890热轧钢管特性○●

用S890热轧钢管，其外径为准502mm，壁厚为69mm，S890钢的化学成分使用Icp6300型等离子电感耦合光谱仪检测。

在热处理和焊接工艺研究中，S890钢使用箱式电阻炉进行热处理，使用窄间隙环缝焊机进行环缝焊接。

浸泡温度为40℃、浸泡时间为3d、浸泡溶液为350mL。制备的浸泡溶液，在标准水中加入1%的NaCl，然后分别加入1%、3%或5%的福斯乳化液。

S890、30CrMnSi、27SiMn和30CrMo钢管制成电化学试样，进行极化曲线测试。试样规格为10mm×10mm的正方形小块。电化学试验采用VMP3多通道电化学设备进行测试，动电位极化曲线的扫描范围从-250mV到阳极方向，扫描速率为0.5mV/s。

S890钢的Ac3为852℃，马氏体相变临界冷速为10℃/s，马氏体相变点Ms为418℃，合金钢的淬火加热温度常选用Ac1，据此设计了热处理工艺。

选用的热处理工艺淬火温度930℃，保温100min，水冷；回火温度635℃，保温240min，水冷。

对外径为准502mm、壁厚为69mm的钢管进行热处理，取不同深度处10mm×10mm×10mm的金相试样做金相试验，取不同深度的硬度试样、冲击试样和拉伸试样做力学性能试验。

随着深度增加，回火索氏体晶粒越细小。这是因为深度越大，钢管的淬火冷却速度越慢，显微组织粗化。

S890钢管在表面、1/4壁厚和心部的显微组织均为回火索氏体，S890钢管可以完全淬透，随着深度增加，硬度、抗拉强度、屈服强度均下降，冲击功、伸长率增加，表面强度和硬度较好，心部韧性和塑性较好。

对比S890钢管和27SiMn、30CrMnSi、30CrMo钢管的力学性能数据，S890钢管的力学性能高于27SiMn、30CrMnSi、30CrMo等液压油缸常用材料的力学性能。

相对于传统Cr-Mo调质钢，S890提高了Cr、Ni、Mo含量，加入了微量Al、Ti，这些合金元素起到了固溶强化、析出强化、细晶强化的作用，因此S890钢管是具有高强度、高韧性的液压油缸材料。

S890钢具有高强度高硬度，碳当量为0.62%，焊接时其淬硬倾向较大，热影响区和冷裂倾向都较大。

不仅需要选择合适的焊接方法、焊丝、预热条件、层间温度等焊接参数，还需要确定焊接电流、电压等焊接工艺参数。从而熔透坡口两侧，可实现一层一道焊接，焊接坡口尺寸及焊接顺序。

S890钢的焊接淬硬倾向大，采用窄间隙焊接可以减少焊丝、降低焊接热输入、提高焊接效率，坡口形式为窄间隙坡口，使用窄间隙全自动焊机施焊，保护气体为80%Ar+20%CO2。

为了确定焊丝和预热条件进行焊接参数试验，焊接电流为255A；焊接电压为25.2V；焊接速度为175mm/min；层间温度为100～300℃。

不预热时，使用ER70-G和ER76-G焊丝焊接后进行斜Y型坡口焊接裂纹试验存在断面裂纹、拉伸试样会断裂在热影响区，预热120℃没有裂纹、拉伸试样均断裂在焊缝。这是因为，S890钢的焊接淬硬倾向大，S890钢管进行窄间隙焊接必须预热。

使用ER76-G焊丝焊接的抗拉强度和冲击功比ER70-G高，进行斜Y型坡口焊接裂纹试验均没有裂纹，说明采用强度更高的ER76-G焊丝可以保证焊接质量，而S890进行窄间隙焊接应选择ER76-G焊丝，焊前需要120℃的预热。

在两组焊接参数下的拉伸试样断裂位置均在焊缝处，说明母材抗拉强度高于焊缝抗拉强度，但是焊缝的抗拉强度远高于焊丝熔敷金属的抗拉强度，说明母材中的C、Ni、Cr等元素部分过渡到了熔池中，使焊缝强度得到大幅提升。

焊接接头的侧弯试验，共8个试样全部弯曲至180°时在焊缝位置开裂，在这个强度级别的管材中，焊接接头的弯曲性能较好。

而在强度满足使用要求的情况下，焊接接头冲击功较好的S1试样的焊接质量优于S2试样的焊接质量。

焊接接头硬度试验按照GB/T2654—2008《焊接接头硬度试验方法》进行。试样经过磨制抛光后使用王水腐蚀出焊缝、热影响区、母材各区域。

所有试件的硬度高值均出现在焊接热影响区中，说明S890有一定的淬硬倾向。所有试样的硬度高值均出现在打底焊缝的热影响区中，这与经验不相符。

一般材料的高硬度值大部分出现在最后一道焊缝的热影响区中，即S位置，因为对于多层多道焊，后一道焊缝对前一道焊缝有明显的热处理作用，使下面几层的热影响区得以软化，而盖面焊后没有下一道焊缝的热处理作用，故而热影响区出现了高硬度值。

此次焊接使用的试样为准502mm×69mm，拼焊后长度达到300mm，预热温度为120℃，使用的预热设备为手持火枪加热，未进行整体预热。

在焊接过程中，打底焊时，由于试样直径较大，试件温度上升比较缓慢，且散热较快，预热时间短直接导致热影响区硬度较高。

随着焊缝层数的增加，试样整体温度随之上升，散热也慢下来，由于焊接过程没有停顿，在最后一道盖面焊时，试样温度达到顶峰，故未出现硬度高值。

大壁厚缸筒的窄间隙焊接预热时，应该提高打底焊处的温度，保证预热效果。对于本次试验，出现的高硬度值在合理范围内，且S1试样的硬度低于S2试样的硬度。

基于显微硬度结果分析，S1试样的焊接质量更好，S890钢管进行窄间隙焊接的工艺参数应采用ER76-G焊丝、80%Ar+20%CO2保护气体、焊前预热100～150℃、打底焊电流220A电压23.4V、填充焊电流280A电压28.6V、层间温度100～300℃。

●○耐腐蚀性能○●

采用表观观察法研究S890、30CrMnSi、DBT外缸、DBT中缸、ZDQ700、27SiMn以及30CrMo等材料在加速浸泡溶液中的腐蚀情况。

浸泡温度为40℃，浸泡时间为3d，浸泡溶液为350mL，所有溶液均采用蒸馏水配制。不同浓度福斯乳化液浸泡后点蚀数目/腐蚀面积。

而乳化液的浓度会对钢材的耐点蚀性能有显著影响，乳化液浓度降低，加速浸泡试验点蚀数目显著增加。

因为具有一定的缓蚀性，但当乳化液浓度为1%时，材料很容易发生局部腐蚀。1%的福斯乳化液中的浸泡30CrMnSi、27SiMn和30CrMo试样都出现了较严重的腐蚀，而S890试样的腐蚀稍轻。

在不同浓度的福斯乳化液中，S890的耐腐蚀性均优于30CrMnSi、27SiMn和30CrMo的耐腐蚀性。

对福斯乳化液中4种材料的点蚀点位进行排序为S890>30CrMo>27SiMn>30CrMnSi，S890的点蚀电位最高。腐蚀电位越大，表明腐蚀速度越慢，缸筒材料耐蚀性能越好。

S890钢中加入了微量Al和Ti使晶粒细化；Cr和Ni提高了淬透性，同时提高了钢的钝化能力；回火时Ni促使碳化物均匀析出，减轻了合金元素的偏聚；同时Ni提高了其耐腐蚀性。

S890 钢是一种高强度低合金结构钢，其力学性能优异，常用于承受高载荷和高强度要求的工程和结构应用。

屈服强度一般在约 890 MPa 左右。屈服强度是材料在受力作用下开始发生塑性变形的应力值。S890 钢的高屈服强度使其具有出色的结构稳定性和抗变形能力。

弹性模量表示材料的刚度和弹性恢复能力，S890 钢具有较高的弹性模量，使其在结构设计中能够提供稳定的支撑和刚性。

断裂韧性S890 钢通常具有较好的断裂韧性，可以抵抗裂纹扩展，从而提高材料的安全性和可靠性。

冲击韧性通常具有良好的冲击韧性，能够在冲击载荷下吸收较多的能量，避免突然断裂，硬度一般在约 250-300 HB 之间。硬度是材料抵抗表面压痕的能力，表示材料的硬度和耐磨性。

延伸率通常在约 15%-20% 之间。延伸率是材料在拉伸过程中断裂前的塑性变形百分比，用于评估材料的延展性能。

S890 钢具有高强度和良好的韧性，使其在承受高载荷和高强度要求的结构件中得到广泛应用，建筑工程、桥梁、船舶、机械制造等领域。

由于其高强度和硬度，焊接和加工时需要注意选择合适的工艺和参数，以确保材料的性能和结构完整性。

在使用 S890 钢时，需根据具体要求进行设计和选择适当的热处理工艺，以确保材料的性能和安全性符合预期要求。

窄间隙焊接的工艺采用ER76-G焊丝、80%Ar+20%CO2保护气体、焊前预热100～150℃、打底焊电流220A电压23.4V、填充焊电流280A电压28.6V、层间温度100～300℃。

●○写在最后○●

在S890、30CrMnSi、27SiMn和30CrMo这4种材料中，采用S890钢制作的液压油缸，其强度、韧性和耐腐蚀性最好。