NM450耐磨钢板及Q690CFD高强钢板在150t自卸矿车上的轻量化应用

董现春，张永青，黄家武，王凤会，赵英建

1首钢集团有限公司技术研究院 北京 100043

2绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室 北京 100043

3中信金属股份有限公司中信微合金化技术中心 北京 100020

4首钢集团有限公司矿业公司 河北唐山 064404

耐 磨钢凭借其优良的耐磨性能广泛应用于各种恶劣工况，特别是煤矿刮板运输机，矿山自卸车车厢，挖掘机铲斗、斗齿，以及破碎机扎臼壁、破碎壁等部件。笔者利用 CO2气体保护焊对 NM450 耐磨钢板进行了焊接试验，包括焊接裂纹试验及焊接工艺试验，研究了冷裂纹敏感性、焊接的显微组织和力学性能，为 NM450 耐磨钢的使用提供依据[1]。

首钢生产的 SGE150 重型自卸矿车 (见图 1) 自身质量为 105 t，额定载质量为 150 t，主要用于铁矿石的运输，装料落差 600 mm，最大矿块质量约为 0.47 t。在役车厢使用 Q235 钢板，厚度为 10～ 25 mm，由顶板、前板、侧板、底板及加强肋构成 (见图 2)。车厢自身质量为 27 t，为全焊接结构，铲斗型底板后部翘起，坡角为 12°，无后拦板。经过一段时间服役后，在巨石冲击下，底部出现变形下凹情况。根据车厢各部件的服役特点，进行了高强化、耐磨化设计，利用首钢生产的 NM450 耐磨钢板和 Q690CFD 高强钢板代替 Q235 钢板，降低车厢的质量，以减少油耗，提升运营效益，同时提升车厢的使用寿命，降低车厢的维修成本。

图1 SGE150 重型自卸矿车Fig.1 SGE150 heavy dump truck

图2 车厢结构Fig.2 Carriage structure

1 材料选择

Q235 的屈服强度约为 250 MPa，NM450 的屈服强度约为 1 100 MPa，Q690CFD 的屈服强度约为 700 MPa。在轻量化设计过程中，用高强钢板替代普通钢板时，常用的经验公式为

式中：t2为高强钢板厚度；t1为低强钢板厚度；ReL1为低强钢板屈服强度；ReL2为高强钢板屈服强度。

以式 (1) 为基础，结合 SGE150 重型自卸车在不同工况下的受力情况，以及钢材的可制造性，对车身不同部位进行轻量化设计，不同部位的替换钢板及规格如表 1 所列。顶板及加强肋板采用 Q690CFD 高强钢板，厚度为 10 mm；前板及侧板采用 NM450 耐磨钢板，厚度为 12 mm；底板采用 NM450 耐磨钢板，厚度为 19 mm。采用轻量化设计后，车厢的质量由 27 t 降至22 t，减轻 5 t，车厢轻量化 18.5%。

表1 不同部位替换钢板及其规格Tab.1 Specification of steel plates replacing various parts mm

NM450 耐磨钢板、Q690CFD 高强钢板均添加了适量的 Nb，用于提高韧性和耐磨性，采用 ER50-6 焊丝，钢板及焊丝的主要化学成分如表 2 所列，力学性能如表 3 所列。NM450 耐磨钢板为马氏体组织，Q690CFD 高强钢板为贝氏体组织，金相组织如图 3所示。

图3 钢板金相组织Fig.3 Microstructure of steel plates

表2 钢板及焊丝的主要化学成分Tab.2 Chemical composition of steel plates and weld wire 质量分数，%

表3 钢板及焊丝的力学性能Tab.3 Mechanical properties of steel plates and weld wire

文献 [1] 给出如下研究结论：NM450 耐磨钢板的碳当量较高，有一定的冷裂纹敏感性，当采用 ER50-6焊丝、斜 Y 形坡口，32.6 ℃ 不预热焊接时不会产生裂纹；在 -1.4 ℃ 不预热焊接时，斜 Y 形坡口焊缝根部裂纹率及截面裂纹率均为 100%；预热温度高于 80 ℃焊接时，对接焊缝不会产生裂纹，角焊接即使不预热焊接，也不会产生裂纹。文献 [2-3] 的研究结论为：Q690CFD 高强钢板焊接时间 t8/5在 40 s 以内时，粗晶区组织以低碳板条马氏体为主，粗晶区冲击值均处于较高水平，采用实心焊丝，不预热即可避免冷裂纹出现。结合上述研究结论，针对自卸车厢各部位的焊接环境温度，制定了焊接工艺评定方案。

2 焊接工艺评定

SGE150 重型自卸矿车关键焊缝位置如图 4 所示。位置 A：底板纵焊缝，19 mm 厚的 NM450 耐磨钢板对接，坡口角度 45°，2 mm 钝边，2～ 4 mm 间隙，平焊位焊接；位置 B：前板纵焊缝，12 mm 厚的NM450 耐磨钢板对接，坡口角度 90°，2 mm 钝边，2～ 4 mm 间隙，立焊位焊接；位置 C：前板横焊缝，12 mm 厚的 NM450 耐磨钢板搭接，角接头，坡口角度 90°，仰焊位焊接；位置 D：前板横焊缝，12 mm厚的 NM450 耐磨钢板搭接，角接头，坡口角度 90°，平焊位焊接；位置 E：底板加强肋焊缝，10 mm 厚的Q690CFD 高强钢板与 19 mm 厚的 NM450 耐磨钢板，单面角接头，坡口角度 90°，平焊位焊接。

图4 关键焊缝位置Fig.4 Location of key weld seam

(1) 位置 A 底板纵焊缝，预热温度高于 100 ℃焊接，平焊，材质 NM450，厚度 19 mm，焊接道次及焊缝如图 5 所示，焊接参数及层间温度如表 4 所列，焊缝力学性能如表 5 所列，焊缝硬度如表 6 所列。

图5 位置 A 焊接道次及焊缝Fig.5 Welding pass and weld seam at position A

表4 位置 A 焊接参数及层间温度Tab.4 Welding parameters and interpass temperature of position A

表5 位置 A 焊缝力学性能Tab.5 Mechanical properties of weld seam at position A

表6 位置 A 焊缝硬度Tab.6 Hardness of weld seam at position A

(2) 位置 B 前板纵焊缝，预热温度高于 100 ℃焊接，立焊，材质 NM450，厚度 12 mm，焊接道次及焊缝如图 6 所示，焊接参数及层间温度如表 7 所列，焊缝力学性能如表 8 所列，焊缝硬度如表 9 所列。

图6 位置 B 焊接道次及焊缝Fig.6 Welding pass and weld seam at position B

表7 位置 B 焊接参数及层间温度Tab.7 Welding parameters and interpass temperature of position B

表8 位置 B 焊缝力学性能Tab.8 Mechanical properties of weld seam at position B

表9 位置 B 焊缝硬度Tab.9 Hardness of weld seam at position B

(3) 位置 C 前板横焊缝，搭接，不预热焊接，仰焊，材质 NM450，厚度 12 mm，焊接道次及焊缝如图 7 所示，焊接参数及层间温度如表 10 所列，焊缝硬度如表 11 所列。

图7 位置 C 焊接道次及焊缝Fig.7 Welding pass and weld seam at position C

表10 位置 C 焊接参数及层间温度Tab.10 Welding parameters and interpass temperature of position C

表11 位置 C 焊缝硬度Tab.11 Hardness of weld seam at position C

(4) 位置 D 前板横焊缝，搭接，不预热焊接，平焊，材质 NM450，厚度 12 mm，焊接道次及焊缝如图 8 所示，焊接参数及层间温度如表 12 所列，焊焊缝硬度如表 13 所列。

图8 位置 D 焊接道次及焊缝Fig.8 Welding pass and weld seam at position D

表12 位置 D 焊接参数及层间温度Tab.12 Welding parameters and interpass temperature of position D

表13 位置 D 焊缝硬度Tab.13 Hardness of weld seam at position D

(5) 位置 E 底板加强肋焊缝，不预热焊接，平焊，材质 Q690CFD (10 mm 厚)+NM450 (19 mm厚)，焊接道次及焊缝如图 9 所示，焊接参数及层间温度如表 14 所列，焊缝硬度如表 15 所列。

表14 位置 E 焊接参数及层间温度Tab.14 Welding parameters and interpass temperature of position E

表15 位置 E 焊缝硬度Tab.15 Hardness of weld seam at position E

图9 位置 E 焊接道次及焊缝Fig.9 Welding pass and weld seam at position E

对位置 E 的焊缝进行金相组织检验，金相组织如图 10 所示。焊缝金属为块状铁素体+针状铁素体，如图 10(a) 所示；熔合线处的焊缝金属柱状组织明显，如图 10(b)、(e) 所示；Q690CFD 粗晶区为板条状贝氏体，如图 10(c) 所示；Q690CFD 正火区为贝氏体组织，如图 10(d) 所示；NM450 粗晶区为板条状马氏体，如图 10(f) 所示；NM450 正火区为马氏体的分解产物铁素体+渗碳体，如图 10(g) 所示。

图10 位置 E 焊缝金相组织Fig.10 Microstructure of weld seam at position E

3 车厢焊接制造及使用

2015年4季度开始车厢焊接制造，2016年1月17日完成整车合拢焊接，焊缝探伤合格，如图11所示。2016年1月22日投入使用，至2016年10月底，完成98万t 铁矿石运输量。2016年11月，在底板上铺设19mm 厚的 NM450 耐磨钢板 (见图 12)，继续使用。截至2021年1月8日，车厢使用情况良好，没有出现车厢冲击变形、焊缝疲劳断裂现象 (见图 13)。测算 Q235 钢板车厢平均每万吨物料磨损量为 0.103 6 mm，而 NM450 耐磨钢板车厢平均每万吨物料磨损量为 0.056 mm，相当于 Q235 耐磨钢板车厢的 55.02%。观察 NM450 耐磨钢板底板表面，表现为宏观切削及微观切削形貌，如图 14 所示。

图11 车厢焊接制造Fig.11 Carriage welding manufacturing

图12 底板铺设 NM450 耐磨钢板Fig.12 Laying of NM450 wear-resistant steel plate on bottom

图13 服役 5 年的轻量化车厢Fig.13 Lightweight carriage after service for 5 years

图14 NM450 耐磨钢板底板表面磨损形貌Fig.14 Macro and micro wear morphology of surface of bottom plate of NM450 wear-resistant steel plate

4 结论

(1) 采用 NM450 耐磨钢板及 Q690CFD 高强钢板替代 Q235 钢板，制造 SGE150 重型自卸矿车车厢，车厢的质量由 27 t 减轻至22 t，实现车厢轻量化 18.5%。

(2)采用 ER50-6 焊丝匹配 NM450 耐磨钢板及Q690CFD 高强钢板，焊接 SGE150 重型自卸矿车车厢，并对 5 个位置进行了焊接工艺评定。结果表明平焊、立焊、仰焊的焊缝熔合良好，焊缝组织、硬度、力学性能、冲击功均满足设计要求。

(3) 运行数据表明，NM450 耐磨钢板车厢的磨损表现为宏观切削及微观切削形貌，磨损量相当于Q235 钢板车厢的 55.02%，没有出现车厢冲击变形、焊缝疲劳断裂现象。