工程机械行业是机械工业的重要组成部分，也是钢材产品的重要下游用户。在工程机械产品成本构成中，钢材的成本是最重要的部分，约占总成本的30％。在工程机械产品中，焊接结构件约占整机质量的50％～70％，目前采用的主要原材料为碳素结构钢和低合金结构钢等。由于结构件要承受复杂多变的周期载荷，因此其用材需具有较高的屈服强度和疲劳极限、良好的冲击韧性及冷成形性和优良的焊接性能。随着工程机械向大型化、轻量化发展，对上述性能的要求更为突出。据国外有关实验的统计表明。普通汽车的自重质量每减轻100kg，可节油0.2～0.3L/100km。另外据美国政府组织的一项燃油经济性的调查中发现，车身如果减重10%，就可减少7%的燃油消耗。由此可见，车身轻量化必然可以带来显著的降耗成果。工程机械的轻量化对节能减排也具有重要作用，未来薄规格（厚度不大于8mm）高强度（屈服强度不小于700MPa）工程机械用钢板将有广阔的应用前景。

薄规格高强度工程机械用钢板主要应用在混凝土泵车的臂架、汽车起重机的伸缩起重臂、履带式起重机的拉板等。根据“十二五”规划预计的“十二五”末的产品销量预测，薄规格高强度工程机械用钢板的量将达到100万吨，而目前屈服强度900MPa级以上的薄规格（厚度小于8 mm）工程机械用钢板主要靠进口。目前，国内在薄规格高强度工程机械钢的生产方面与国外还有相当的差距，这将大大影响国内工程机械轻量化的进程。


1 薄规格高强度工程机械用钢板发展概况

虽然国内工程机械行业经过了50多年的发展，但低合金高强度工程机械用钢板的开发起步较晚，近二三十年来陆续引进工程机械制造技术后，我国工程机械用钢板才打破了以Q235、16Mn低级别钢为主的状态，武钢、宝钢、鞍钢、济钢、舞钢、安钢等一批企业可以生产抗拉强度为600, 700, 800, 1 000 MPa等多个强度级别的产品。钢铁研究总院通过对微合金化技术的深人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，且正在开展屈服强度900，960，1100，1300 MPa级工程机械用钢板的研发工作。

20世纪90年代之前，屈服强度600MPa以上的高强度钢板都是采用淬火加高温回火的调质处理方法(Q&T)生产的。之后，随着微合金钢冶炼技术和控轧、控冷技术的发展，才开始采用微合金成分控制，控轧、控冷技术，以热连轧形式生产高强度钢板。以瑞典SSAB为代表的欧洲钢厂研究出以热轧卷板方式生产的超高强度钢板，2000年左右实现批量化生产，该工艺也迅速得到应用。热连轧生产的高强度钢板避免了调质板质量上的不足，如存在残余奥氏体、淬火裂纹以及淬火变形、表面质量差等，具有更高的平整度和尺寸精度，及更均匀的性能和更好的表面质量。并且，由于热连轧钢板省去了热处理过程，具有成本低、能耗少和交货周期短等优点，提高产品竞争力。所以，热连轧己经成为近年来国内外钢厂生产薄规格（厚度小于10 mm）高强度钢板的主要方式。

2 薄规格高强度工程机械用钢板现状

随着对薄规格高强度工程机械用钢板需求量的加大和强度级别要求的提高，国内外各大钢厂都在投入力量研究高强度热轧板，瑞典、荷兰、法国、德国、韩国和日本等国家的钢铁企业或研究机构已拥有多个国际知名的高强度工程机械用钢板品牌，如SSAB的Domex系列、RUUKKI的Optim系列、JFE的Hiten系列、NSC的Welten系列等等。国内的宝钢、太钢、首钢、马钢、武钢、鞍钢、邯钢等也对屈服强度600MPa及以上级别的热轧薄板进行了研究和生产。宝钢的BS系列、鞍钢的HQ系列、太钢的TQ系列、TS系列等是国内薄规格高强度工程机械用卷板中比较成熟的品牌。

目前，薄规格高强度工程机械用钢板产品质量比较好的生产企业主要是芬兰的RUUKKI、瑞典的SSAB。芬兰Ruukki生产的高级别工程机械钢屈服强度最高可达到1100 MPa，最薄规格为2.5mm；瑞典SSAB生产的高级别工程机械钢屈服强度最高可达到1200MPa，最薄规格为4.0mm。国内能生产900MPa级以上薄规格（厚度小于8mm）工程机械用钢板的企业仅限宝钢、太钢、舞钢、南钢等，但均未实现批量生产。其中，宝钢产品的交货标准已接近瑞典SSAB生产类似产品。

国内对该类钢板的残余应力、化学成分及精整工艺等方面也进行了一些研究，对热轧高强钢板矫直前后残余应力分布的研究表明，热轧高强钢卷在矫直前横断面上的残余应力分布不均，残余应力值波动大，在-100～250MPa之间。

从国内需求行情来看，屈服强度600MPa级别钢板开始逐步退出大型工程机械用钢板市场，屈服强度700MPa级别的钢板成为需求的主流，屈服强度960MPa级别钢种的使用已开始呈上升趋势
        
3 薄规格高强度工程机械用钢板的特点

a) 强化机制
目前商品化的屈服强度600MPa级别以上的薄规格高强热轧板按主要强化机制分有两种。一是低碳贝氏体系列热轧板，其成份特点是在低碳或是超低碳的基础上加一定量的锰、钼、硼、铌、铬等合金元素，其组织是细的低碳贝氏体组织。这类钢的优点是有好的低温冲击性能；缺点是生产难度大，需要较低的卷取温度，板卷头中尾强度受卷取温度影响较大，波动大，成形性能不好，板卷内应力大，屈服强度一般在700MPa级别以下。二是析出强化系列热轧板，其成份特点是在碳-锰钢的基础上添加一定量的铌、钒、钛等微合金元素。析出强化系列热轧板的优点是成形性能好，容易生产，强度级别比贝氏体系列的高；缺点是低温冲击性能相对较差，板卷性能对加热和卷取温度敏感。

b) 化学成分
现有屈服强度为700MPa 级别的工程机械用钢板大体采用三种成分设计方案：
(a) 含钛钢，这种钢一般加入铌，还加入铬、钼、钒等元素；
(b) 低碳贝氏体钢，这种钢一般加入较多的合金元素，如铌、钛、钼、铜、硼等；
(c) 调质钢，这种钢的含碳量较前两者要高，一般在0.1% 以上，同时加入较多的合金元素。

目前，绝大多数700MPa级的薄规格高强度工程机械用钢板采用含钛钢的析出强化，但低碳贝氏体钢被认为是很有希望的高强度钢种，并且人们进行了大量的研究，随着认识程度的提高和设备能力的改善，其发展潜力巨大。

c) 生产工艺
对钢铁企业而言，生产以热轧态交货的薄规格高强度板卷所遇到的最突出问题是设备能力的问题，主要包括轧机负荷能力、控冷能力、卷取能力甚至精整能力等。在用户越来越高的强度要求和厂家的设备能力之间寻求平衡是技术关键。钢铁材料的强度由不同的强化机制保证，主要有：细晶强化、析出强化、固溶强化、位错强化和相变强化。在热轧变形时对变形抗力影响最大的是细晶强化、固溶强化、析出强化和位错强化。细晶强化要求在奥氏体非再结晶区控轧，必然带来强烈的位错强化，大大提高变形抗力，轧后冷却时的析出强化、相变强化不影响轧制力。采用轧后冷却时的强化方式也可以达到生产高强钢的目的，同时又避开轧机能力不足的问题。

目前，己知的避开轧机能力限制轧制高强度钢板的措施有：
（1）加铌、钛等微合金化元素提高再结晶温度，可使中间坯进入精轧、开始非再结晶轧制的温度提高。
（2）结晶区控轧，通过反复再结晶细化晶粒。
（3）选择适当的成份、工艺，合理利用强化机制，主要以热轧后控冷过程中的析出和相变强化保证强度。

选择适当的成份和工艺，实现合理的强化机制以避开生产能力的制约，是高强度钢板生产的关键。同时，不同强化机制对钢板的成形性、冲击韧性及焊接性能的影响不同，在成份和工艺设计时必须考虑。从目前己掌握的薄规格高强度工程机械用钢板的资料看，强化机制除固溶强化外，还包括轧制后冷却时的贝氏体强化和析出强化，同时，细的晶粒（小于10μm）也是薄规格高强度工程机械用钢板的组织特点。

目前屈服强度900MPa级以下的薄规格高强度工程机械用钢板可以通过热连轧TMCP工艺进行生产，对于屈服强度900MPa级以上的薄规格（<8mm）工程机械用钢板，多采用炉卷轧机或热连轧生产后进行热处理达到所需的指标要求，成分系列有多种，如铬+钼、铬+钼+钛、铬+钼+硼系等。但不论哪种成分体系，在这个强度级别的钢必需依靠组织强化，即靠钢中的马氏体提高强度，尽量在钢中搭配一部分软相，保证钢的塑性。

生产过程中可能遇到的难点有以下三个方面：
（1）由于冷成形性的要求较高，钢液的洁净度和夹杂物的形貌必须控制得当，保证其好的冷成形性。
（2）钢中微合金元素含量较高，在连铸和冷却的过程中铸坯质量难以保证。
（3）板形控制，薄规格高强度工程机械用钢板中残余应力的不均匀分布造成的板形不良对零件加工带来不利的影响，对于900MPa级以上需要进行调质处理的薄规格工程机械用钢板，板形控制更是一个难题，因此需要对辊压式淬火机的淬火工艺和后续的矫直工艺进行深入的研究，研究如何能获得均匀的冷却效果，研究不同生产工艺对钢中残余应力分布的影响规律。这些研究有助于解决薄规格高强度工程机械用钢板应用时的翘曲问题。南京钢铁公司的盘国力等对厚度规格≤8mm薄规格钢板的淬火工艺进行了研究，提出了 “对称、均匀、同步冷却的控制原理”,除了对淬火工艺的严格要求外，对淬火机设备的安装和校准精度也提出了更高的要求。

4薄规格高强度工程机械用钢板发展趋势

下游用户对加工精度、钢板的不平度及下料后的翘曲度等提出了更高的要求，由于钢的强度较高、厚度规格较薄，因此热轧卷板的板形很难控制，从而影响后续开平板残余应力的大小和分布，在应用过程中造成板形不良等问题，热连轧钢板纵切开条时产生翘曲是一种比较常见的现象，如何防止翘曲的产生，性能均匀性、板形控制和精整工艺等方面的研究成为关键。随着国内钢铁企业主体装备（炼铁、炼钢、连铸、轧钢等装备）及技术能力的加强，人们也意识到与钢铁产品质量相关的后续的热处理、精整设备及技术有待于进一步的提高。对于薄规格高强度工程机械用热轧卷板来讲，高水平的开平、矫直装备技术及后续的热处理装备技术具有至关重要的作用。所以薄规格高强度工程机械用钢板板形控制、热处理、精整工艺将成为研究的热点。

屈服强度900MPa级以上薄规格（<8mm）工程机械钢，可以进行热连轧TMCP+回火生产工艺的研究，回火可以减小钢中残余应力，有利于后续开平板的不平度，提高开平板的板形质量，减小下料后的翘曲度，同时该种生产工艺相对调质的生产工艺可以降低生产工艺方面的成本，可以充分发挥轧线生产设备的能力，但目前，该种生产工艺在国内尚处于初期阶段，该生产工艺生产屈服强度900MPa级以上薄规格工程机械钢也将成为研究的热点，包括与该工艺配套的化学成分开发等方面的研究。

5结束语

在低碳经济的大背景下，工程机械向着大型化、轻量化方向发展，全球经济不景气的前提下，国内的钢铁工业、机械行业都面临着“调结构、转方式”的挑战和机遇，薄规格高强度工程机械用钢板具有广阔的应用前景，因此国内应该加强这方面的研究，推动国内钢铁工业和工程机械行业的发展。对于钢铁行业来讲需要进行研究的问题主要有以下五个方面：
（1）钢水洁净度和夹杂物形貌的控制；
（2）铸坯质量的控制；
（3）性能均匀性和板形的控制；
（4）热处理和精整工艺对钢中残余应力分布的影响规律研究；
（5）热连轧TMCP+回火工艺生产屈服强度900MPa级以上薄规格工程机械用钢板的研究。



来源：《机械工程材料》2013年第6期