CN101748325B - 一种高强度耐磨球铁卷筒及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高强度耐磨球铁卷筒及其制造方法，卷筒化学组成成分(质量分数，％)是：3.5～3.7C，2.1～2.4Si，4.3≤CE(C+1/3Si)≤4.4，0.03～0.06Mg，0.02～0.04Y，0.006～0.012Sn，0.012～0.018Sb，0.2～0.5Cu，0.035～0.060N，0.040～0.065V，0.040～0.065Nb，0.095≤V+Nb≤0.120，0.005～0.010Ca，0.005～0.010Ba，0.012≤Ca+Ba≤0.018，Mn＜0.3，Ti＜0.015，Al＜0.012，P＜0.04，S＜0.012，余量Fe。本发明卷筒采用电炉熔炼，用普通铸造方法浇注成形，在200～260℃进行去应力退火处理，然后机械加工至规定尺寸和精度，生产工艺简便，卷筒强韧性好，使用安全可靠且寿命长，推广使用具有很好的经济效益。

Description

一种高强度耐磨球铁卷筒及其制造方法

技术领域

本发明为一种卷筒制造方法，特别涉及一种高强度耐磨球铁卷筒及其制造方法，属于铸造技术领域。

背景技术

起重机使用钢丝绳起升物料的卷筒，是起重机的重要部件之一，每台起重机有卷筒1～2个或3～4个，卷筒在起重机行业生产中占有重要地位。卷筒工艺的先进与否及质量高低，对起重机生产的经济效果、生产管理和文明生产等都有很大的影响。由于装配后钢丝绳缠绕在卷筒筒体上，卷筒直接承受载荷，因此卷筒本身强度、韧性和耐磨性对起重机的安全运行有着至关重要的影响。随着现代工程的大型化，起重机械也向大型化发展，其起重重量及扬程大大增加，扬程达到几十米甚至上百米，重量达到几百吨，由此对卷筒的材质及其制造方法提出了更高的要求。为了保证卷筒的安全使用，国外多用钢板通过卷板后焊接而成，或采用铸钢卷筒。但是，直接采用钢板通过卷板后焊接而成的卷筒，尽管强度高，但焊缝易开裂，使用安全性差，而且大型卷筒的钢板厚度大，需要庞大和贵重的卷板设备。另外钢板焊接卷筒和铸钢卷筒还存在硬度低和耐磨性差等不足。

为了提高卷筒性能，中国发明专利CN101559906公开了一种新型卷筒。该发明针对公知起重设备中的卷筒，用于缠绕钢丝吊绳的螺纹槽，是均匀等螺距的螺旋型凹槽，其缠绕过程需使用导向结构，且磨损挤压现象较为严重，有时还出现乱绳现象，严重影响了起重设备使用效果和寿命。该发明将钢筒表面的每圈凹槽设计成规则有序的两段间隔分布的直槽和斜槽，从而克服了上述缺陷，具有排布有序、载重量大、稳定性好等优点，但是，由于钢卷筒硬度低，耐磨性差的难题没有彻底解决。中国发明专利CN101537985也公开了一种大吨位(150吨以上)履带起重机臂架变幅装置使用的整体双联双折线变幅卷筒，该变幅卷筒为整体铸造的双联卷筒。所述的双联卷筒是指其绳槽旋向、出绳口按中间挡板左、右对称布置的整体铸造卷筒，且出绳口位于中间挡板二侧。该变幅卷筒的绳槽旋向左、右相反，全部为双折线设计，且绳槽具有两侧起绳部位紧密、中间排绳松，挡板处有排绳凸台的特点，使缠绕在上的钢绳具有均匀的承载能力，大大减小了钢绳间的磨损和挡板所受的轴向力，即使钢绳进行多层缠绕也不会发生相互干涉、挤压和乱绳现象，达到了减小卷筒体积，延长钢绳使用寿命，降低使用成本，提高工作效率的目的。该发明卷筒存在结构复杂、加工效率低和生产成本高等不足。

中国发明专利CN1076667还公开了一种带钢卷取机卷筒，属于金属带的卷绕装置。它主要由扇形块(1)、四棱锥轴(2)、大钳口(3)、小钳口(4)、圆弧过渡曲线(5)、圆弧槽(6)等组成。该卷取机卷筒，消除钢卷塌卷显著，产品合格率大有提高，并且不用增设辅助设备，极易实施。该卷筒加工复杂、生产成本高，无法用于起重机上。中国发明专利CN1364411则公开了一种旋转卷线器的卷筒，可维持前凸缘部的耐磨耗性及耐久性，并尽可能地使卷筒轻量化。旋转卷线器的卷筒4是安装在可相对于旋转卷线器的卷线器本体2前后移动的卷筒轴15前端上的卷线用卷筒，具备：卷线胴体部4a、前凸缘部4c、及凸缘固定构件47。卷线胴体部4a为安装于卷筒轴15前端上的构件。前凸缘部4c具有：在卷线胴体部4a的前端部外周侧设置成锷状的第1凸缘部45、及可自由装卸地安装于第1凸缘部45上且由硬质材料制的环状的第2凸缘部46。凸缘固定构件47是用来将第2凸缘部46固定在第1凸缘部45上的构件。该卷筒加工复杂、生产成本高，也无法用于起重机上。

中国发明专利CN101513978还公开了一种起重机用储能卷筒，它包括卷筒筒体、发条套和发条，所述筒体的两个端口分别固定连接有第一法兰盘、第二法兰盘；所述发条套设置在筒体内腔中、并分别与第一法兰盘和第二法兰盘固定连接；所述发条设置在发条套中、并卷绕在固定轴上，其向内卷的末端与固定轴固定连接、其向外卷的末端与发条套固定连接。该发明通过在卷筒筒体的内部设置发条，当卷筒旋转时，被固定的定轴始终不能旋转，而且始终卡住发条向内卷的末端，使其不能移动，这样就使发条能随卷筒正方向或负方向旋转，从而完成储藏能量或释放能量的过程，能够有效地增大起重机的提升能力。但是该发明亦未能解决普通卷筒材料强韧性低和耐磨性差的不足。中国发明专利CN1793397还公开了一种起重机卷筒用铸铁，含有硅、锰、碳，硅含量为2.0-2.6％，锰含量为0.2-0.35％，碳含量为3.0-4.0％。杂质磷和硫的含量分别小于0.25％、0.1％。在此基础上，中国发明专利CN1792502继续公开了一种起重机卷筒的离心铸造工艺，其技术方案要点是，起重机卷筒的离心铸造工艺包括有化铁水、离心浇铸工序，铁水中的硅的含量为2.0-2.6％，锰含量为0.2-0.35％，碳含量为3.0-4.0％，铸型内壁上有石英砂或棕刚玉层。铸型内壁上的石英砂或棕刚玉层的厚度为1-2毫米。铸型内表面的旋转线速度为750-1250米/分钟。送入铸型的铁水温度为1200-1280℃。铁水在铸型中的旋转时间为7-8分钟。但是，采用普通铸铁制造卷筒，存在硬度和强度低，以及韧性和耐磨性差等不足，卷筒使用寿命短、安全性较差。中国发明专利CN1772417还公开了一种高性能球铁卷筒制造方法，原铁水成分如下：3.8～3.95％C，1.0～1.3％Si，0.2～0.4％Mn，＜0.06％P，0.05～0.08％S。经球化和孕育处理后，铁水的最终化学成分如下：3.5～3.9％C，2.3～2.7％Si，＜0.4％Mn，＜0.06％P，＜0.025％S，0.03～0.05％RE，0.03～0.05％Mg。该发明通过铸态球铁的研究、铸型材料、涂料及铸造工艺研究，简化了卷筒的制造工艺，提高了材料的利用率、节能降耗，在显著提高卷筒力学性能及使用性能、满足卷筒绳槽几何尺寸的前体下，显著降低生产成本。但是，该发明球铁卷筒韧性偏低，使用中易出现剥落甚至断裂现象，影响起重机的安全使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有起重机卷筒存在的各种不足，在球铁中加入少量合金元素，达到细化其凝固组织，改善石墨形态和分布，提高其强度和韧性，延长卷筒使用寿命的目的。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明卷筒的化学组成成分(质量分数，％)是：3.5～3.7C，2.1～2.4Si，4.3≤CE(C+1/3Si)≤4.4，0.03～0.06Mg，0.02～0.04Y，0.006～0.012Sn，0.012～0.018Sb，0.2～0.5Cu，0.035～0.060N，0.040～0.065V，0.040～0.065Nb，0.095≤V+Nb≤0.120，0.005～0.010Ca，0.005～0.010Ba，0.012≤Ca+Ba≤0.018，Mn＜0.3，Ti＜0.015，Al＜0.012，P＜0.04，S＜0.012，余量Fe。

本发明卷筒采用电炉熔炼，具体工艺步骤如下：

1)先用废钢、铜板、硅铁和生铁或增碳剂之一混合加热熔化成铁水，炉前调整成分合格后，当铁水温度达到1450～1500℃时，扒渣，然后依次加入锑、锡、钒氮合金和铌铁，保温1～3分钟后出炉；

2)将重稀土镁合金置于浇包底部，采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理；

3)球化完成后，处理包转浇注包时加入75SiFe进行第一次孕育处理，75SiFe加入量为步骤1)中铁水总质量的0.5％～0.8％；

4)当铁水温度达到1300～1350℃时浇注卷筒，浇注过程中随流加入为步骤1)中铁水总质量0.3％～0.5％的硅钙钡合金，进行二次孕育处理；

5)卷筒浇注10～24小时后，开箱清理浇冒口，然后在200～260℃进行去应力退火处理，保温时间10～30小时，最后将卷筒加工至规定尺寸和精度。

球铁材料的性能是由金相组织决定的，而球铁的组织取决于化学成分，本发明卷筒的化学成分是这样确定的：

碳和硅：碳和硅均为促进石墨化元素，石墨呈球状后，石墨数量对卷筒力学性能的影响已降低到最小程度，为获得较好的铸造性能，碳当量一般取在共晶点附近，按高碳低硅原则，根据卷筒的性能要求和结构特点，控制碳含量为3.5％～3.7％，硅含量2.1％～2.4％，且碳当量CE(C+1/3Si)控制在4.3～4.4。

锰：锰虽然能细化珠光体组织并增加珠光体含量，有利于提高卷筒强度，但锰量过高易造成晶界偏折，降低卷筒强度和韧性，所以不利用锰来保证珠光体组织，而将其含量控制在0.3％以下。

铜、锑和锡：铜能稳定奥氏体组织，利于石墨圆整，阻碍共析渗碳体的分解，同时促进并细化珠光体组织。加入适量的锑不仅能提高基体的珠光体量、增加强度，而且可以提高石墨的园整度，而且微量锑的加入对延伸率降低的影响不大。锡具有较强的促进珠光体形成的能力，且促进珠光体的细化，铜、锑和锡的复合加入可有效地提高球铁卷筒抗拉强度，但加入过多的铜将使延伸率明显降低，因此控制卷筒中铜含量为0.2％～0.5％，锑含量为0.012％～0.018％，锡含量为0.006％～0.012％。

镁和钇：铁液中有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球。在稀土镁球铁中，镁通过强烈的脱氧、脱硫而起球化作用，而稀土起辅助球化作用，稀土还具有净化铁液，细化球铁组织和抗球化干扰元素的作用，但是，镁加入量过多，易出现渗碳体组织，使球铁韧性急剧下降。另外，加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物以Ce₂0₂8计，其密度为6.00g/cm³，钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y₂O₂S计，密度为4.25g/cm³，按Stokes公式(Ladenburg R.W，Physical Measurements in Gas Dynamics and in Combustion，New York：Prince-ton University Press，1964，137～144.)计算夹杂物的上浮速度V为：

式中：V-夹杂物上浮速度，m/sec；r-夹杂物半径，m；ρ_液-金属液体的密度，N/m³；ρ_杂-夹杂物的密度，N/m³；η-液体的动力粘度，N.s/m²。可见后者的上浮速度较前者增大1倍，这是使用钇稀土获得洁净组织对球铁污染少的重要原因。因此，合适的镁含量控制在0.03％～0.06％，合适的钇含量控制在0.02％～0.04％。

钒、氮和铌：钒、铌和氮易形成高熔点的VN和NbN，它们可以起凝固核心作用，促进球铁显微组织的细化，有利于提高球铁的强度和韧性，另外，细小的VN和NbN均匀分布在珠光体基体上，有利于提高卷筒强度，延长卷筒使用寿命，但是，氮含量过高，卷筒铸件中易出现气孔，而钒和铌加入量过高，则VN和NbN尺寸粗化，反而降低球铁的强度和韧性，且钒、铌加入量过多，将增加卷筒的生产成本，因此将氮含量控制在0.035％～0.060％，钒含量控制在0.040％～0.065％，铌含量控制在0.040％～0.065％，且0.095％≤V+Nb≤0.120％。

钙和钡：钙和钡是从随流孕育剂中带入而来的，加入钙和钡可以细化石墨球，并使石墨球更圆整，加入钙和钡孕育还可以防止孕育衰退，保证孕育效果，有利于提高球铁的强度和韧性，合适的钙含量宜控制在0.005％～0.010％，合适的钡含量宜控制在0.005％～0.010％Ca，且0.012％≤Ca+Ba≤0.018％，

钛和铝：钛和铝是球化干扰元素，钛和铝主要来自于球化剂和孕育剂，钛和铝残留量过多，不利于石墨球化，易使球铁中出现开花状石墨，降低球铁的强度和韧性，因此对球铁卷筒中的钛和铝含量需要严格控制，其中钛含量控制在0.015％以下，铝含量控制在0.012％以下。

磷：当磷小于0.04％时能固溶于α-Fe中，对卷筒的力学性能没有明显的不良影响，而球铁卷筒中磷大于0.04％后易形成二元或三元磷共晶，偏析于晶界，产生缩松，恶化力学性能和铸造性能，故应严格限制磷在0.04％以下。

硫：硫是反石墨化元素，硫含量过高，石墨不易成球，为了确保石墨的球化效果，将硫含量控制在0.012％以下。

本发明卷筒与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明卷筒强度高，韧性好，其中抗拉强度大于700Mpa，延伸率大于8％，冲击韧性大于28J/cm²；

2)本发明卷筒不含钼、镍等昂贵合金元素，生产成本低廉；

3)本发明卷筒使用安全、可靠，使用中无断裂现象出现，使用寿命比钢卷筒提高20～30％，而生产成本比钢卷筒降低25～35％，推广使用本发明卷筒具有很好的经济效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述。

实施例1：

采用5吨电炉熔炼球铁卷筒材料，用于生产卷筒铸件，具体工艺步骤如下：

1)先用废钢、铜板、生铁和硅铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后，当铁水温度达到1498℃时，扒渣，然后依次加入锑、锡、钒氮合金和铌铁，保温1分钟后出炉。

2)将重稀土镁合金置于浇包底部，采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理。

3)球化完成后，处理包转浇注包时加入75SiFe进行第一次孕育处理，75SiFe加入量为步骤1)中铁水总质量的0.5％。

4)当铁水温度达到1346℃时浇注卷筒，浇注过程中随流加入为步骤1)中铁水总质量0.5％的硅钙钡合金，进行二次孕育处理。

5)卷筒浇注24小时后，开箱清理浇冒口，然后在260℃进行去应力退火处理，保温时间15小时，最后将卷筒加工至规定尺寸和精度。卷筒成分见表1，卷筒性能见表2。

实施例2：

采用5吨电炉熔炼球铁卷筒材料，用于生产

卷筒铸件，具体工艺步骤如下：

1)先用废钢、铜板、增碳剂和硅铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后，当铁水温度达到1455℃时，扒渣，然后依次加入锑、锡、钒氮合金和铌铁，保温3分钟后出炉。

2)将重稀土镁合金置于浇包底部，采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理。

3)球化完成后，处理包转浇注包时加入75SiFe进行第一次孕育处理，75SiFe加入量为步骤1)中铁水总质量的0.8％。

4)当铁水温度达到1306℃时浇注卷筒，浇注过程中随流加入为步骤1)中铁水总质量0.3％的硅钙钡合金，进行二次孕育处理。

5)卷筒浇注15小时后，开箱清理浇冒口，然后在220℃进行去应力退火处理，保温时间24小时，最后将卷筒加工至规定尺寸和精度。卷筒成分见表1，卷筒性能见表2。

实施例3：

采用10吨电炉熔炼球铁卷筒材料，用于生产

卷筒铸件，具体工艺步骤如下：

1)先用废钢、铜板、生铁和硅铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后，当铁水温度达到1479℃时，扒渣，然后依次加入锑、锡、钒氮合金和铌铁，保温2分钟后出炉。

2)将重稀土镁合金置于浇包底部，采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理。

3)球化完成后，处理包转浇注包时加入75SiFe进行第一次孕育处理，75SiFe加入量为步骤1)中铁水总质量的0.6％。

4)当铁水温度达到1332℃时浇注卷筒，浇注过程中随流加入为步骤1)中铁水总质量0.4％的硅钙钡合金，进行二次孕育处理。

5)卷筒浇注18小时后，开箱清理浇冒口，然后在250℃进行去应力退火处理，保温时间24小时，最后将卷筒加工至规定尺寸和精度。卷筒成分见表1，卷筒性能见表2。

表1卷筒化学成分(质量分数，％)

元素	C	Si	Mg	Y	Sn	Sb	Cu	V	Nb
										实施例1	3.52	2.39	0.031	0.038	0.006	0.017	0.49	0.045	0.064
实施例2	3.69	2.12	0.057	0.022	0.011	0.013	0.25	0.065	0.041

实施例3	3.58	2.30	0.045	0.030	0.009	0.015	0.31	0.052	0.046
										元素	N	Ca	Ba	Mn	Ti	Al	P	S	Fe
实施例1	0.037	0.009	0.008	0.17	0.006	0.005	0.037	0.008	余量
										实施例2	0.059	0.007	0.006	0.23	0.009	0.005	0.039	0.011	余量
实施例3	0.046	0.006	0.006	0.18	0.007	0.007	0.036	0.010	余量

表2卷筒力学性能

力学性能	抗拉强度/MPa	延伸率/％	冲击韧性/J.cm-2	硬度/HB
					实施例1	735	9.23	29.55	297
实施例2	720	8.51	28.60	283
					实施例3	730	9.08	29.37	286

本发明卷筒已成功应用于起重机上，使用中发现，本发明卷筒因强度高、韧性好，使用安全可靠，使用中无剥落、开裂和断裂现象出现。另外本发明卷筒因微量钒、氮和铌元素的加入，可形成细小的高硬度氮化物，可明显提高卷筒表面的耐磨性，本发明卷筒的使用寿命比钢卷筒提高20～30％，而生产成本比钢卷筒降低25～35％，推广使用本发明卷筒具有很好的经济和社会效益。

Claims (2)

1.一种高强度耐磨球铁卷筒，其特征在于卷筒的化学组成成分质量百分数是：3.5～3.7C，2.1～2.4Si，4.3≤(C+1/3Si)≤4.4，0.03～0.06Mg，0.02～0.04Y，0.006～0.012Sn，0.012～0.018Sb，0.2～0.5Cu，0.035～0.060N，0.040～0.065V，0.040～0.065Nb，0.095≤V+Nb≤0.120，0.005～0.010Ca，0.005～0.010Ba，0.012≤Ca+Ba≤0.018，Mn＜0.3，Ti＜0.015，Al＜0.012，P＜0.04，S＜0.012，余量Fe。

2.如权利要求1所说的高强度耐磨球铁卷筒制造方法，其特征在于用电炉生产，其工艺步骤是：

1)先用废钢、铜板、硅铁、以及生铁或增碳剂之一混合加热熔化成铁水，炉前调整成分合格后，当铁水温度达到1450～1500℃时，扒渣，然后依次加入锑、锡、钒氮合金和铌铁，保温1～3分钟后出炉；

2)将重稀土镁合金置于浇包底部，采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理；

3)球化完成后，处理包转浇注包时加入75SiFe进行第一次孕育处理，75SiFe加入量为步骤1)中铁水总质量的0.5％～0.8％；

4)当铁水温度达到1300～1350℃时浇注卷筒，浇注过程中随流加入为步骤1)中铁水总质量0.3％～0.5％的硅钙钡合金，进行二次孕育处理；

5)卷筒浇注10～24小时后，开箱清理浇冒口，然后在200～260℃进行去应力退火处理，保温时间10～30小时，最后将卷筒加工至规定尺寸和精度。