CN101899629A - 耐磨合金铸钢及其制造设备 - Google Patents

Abstract

耐磨合金铸钢及其制造设备，铸钢为：C：0.27-0.32；Mn：0.70-0.90；Si：0.90-1.30；Cr：1.40-1.80；Mo：0.10-0.20；Ni：0.10-0.20；Ti：0.02-0.03。设备包括：由熔炼炉、温度监控装置、下料装置、以及它们相连的上位控制单元组成的熔炼设备，上位控制单元根据温度信号对熔炼炉和下料装置进行控制以达到上述成分和百分比；由退火炉、淬火炉和淬火槽、以及回火炉组成的热处理设备；热处理设备也可同上位控制单元相连，实现自动化控制。该工艺设备简单、成本低且无污染，所得铸钢可用于制造与冻岩、冻土层接触的工程机械设备。

Description

耐磨合金铸钢及其制造设备

技术领域

本发明涉及一种耐磨合金铸钢及其制造设备，特别是可用于野外多工矿开采设备上、能够适于高强度、以及低温等恶劣环境要求，具有超高硬韧性的耐磨合金铸钢。

背景技术

磨损是许多工业部门普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，同时其也消耗了大量的能源和材料。由合金铸钢制造的各种工程挖掘机和装载机斗齿、各种耐磨输送管道、各种破碎机锤头和颚板、各种履带板，由于处于高强度、恶劣气候等工作条件，其磨损情况更加严重。

目前的技术现状是：一般材料的硬度和韧性是互相矛盾的性能指标，通常是硬度高则韧性差，韧性高则硬度低。一类是强调材料的高韧性，一类是强调材料的抗磨性。而无法达到一个有效的统一，尤其是在用于室外矿山开采、挖掘等工程机械上的应用。高锰钢的耐磨性是有条件的，而且其屈服强度低、易于变形；低、中合金耐磨钢具有较好的强韧性，低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢，但存在淬透性和淬硬性低的问题，耐磨性较差；高铬铸铁组织中含有超过20％的高硬度共晶碳化物，具有优异的耐磨性，可是存在合金元素含量高、生产成本高以及高温熔炼易变形开裂的不足；普通白口铸铁和低合金白口铸铁碳化物硬度低，碳化物呈连续状分布，脆性大，使用中易剥落甚至开裂。

因此需要提供新一代耐磨合金铸钢，通过其组分和含量的创新和设计，得到一种强韧性高、淬透性与淬硬性好是耐磨材料的发展趋势，同时保证在低温环境中的良好工作，并在多工矿条件中也能良好使用的耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济的发展有着十分重要的意义。

人们还认识到一种新的与耐磨合金铸钢的合金成分相适应的熔炼工艺将是保证耐磨合金铸钢的合金成分进而保证其机械性能的重要的制造技术环节。同时一种新的与耐磨合金铸钢的合金成分相适应的热处理工艺不仅是制造耐磨合金铸钢的技术环节，同时，合理的热处理工艺也将对耐磨合金铸钢的机械性能具有积极的作用，使合金成分得到更有效的利用。因此，也需要一个可以最大的实现和优化相应铸钢的包括熔炼和热处理工艺的制造设备，同时该制造工艺也应是一种结构简单、成本低且无污染并适于自动化的大规模生产过程。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种与新型耐磨合金铸钢及其制造设备。

其中所述新型耐磨合金铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.27-0.32；Mn：0.70-0.90；Si：0.90-1.30；Cr：1.40-1.80；Mo：0.10-0.20；Ni：0.10-0.20；Ti：0.02-0.03。

其相应的制造设备包括：熔炼设备部分和热处理设备部分。

1)熔炼设备，包括：

熔炼炉，置于炉内以监测所述熔炼炉内温度的温度监控装置，和可向所述熔炼炉中投放材料的下料装置，以及与上述装置相连的上位控制单元；所述上位控制单元可以根据所获得的温度监控装置传送的温度信号，对熔炼炉的温度和下料装置的工作作出如下的控制：

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1550-1560℃时，所述下料装置分别加入元素：碳、钼铁、铬铁、镍、钛铁；

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1570-1580℃时，所述下料装置加入硅铁；

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1590-1600℃时，所述下料装置加入锰铁；

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1610-1630℃时，所述熔炼炉断电并出钢液浇注。

2)热处理设备，包括：热处理系统和将所述耐磨合金铸钢在所述热处理系统间运输连接的运输系统，所述热处理系统包括：

温度可被设为850℃-900℃，停留时间可被设为3-5小时的退火炉；

温度可被设为900℃±10℃，停留时间可被设为150分钟的淬火炉；

冷却后产品温度设为300℃，置有冷却介质为水溶性淬火液的淬火槽；

温度可被设为200-230℃，停留时间可被设为3-4小时的回火炉。

作为进一步的改进，本熔炼设备系统还可以具有与上位控制单元相连的并设有熔剂的造渣装置，以控制其向所述熔炼炉中投入所述熔剂进行造渣。还可以具有与上位控制单元相连的取样分析装置，以控制其对炉中的合金元素进行取样分析并向上位控制单元输出结果，实现大规模的整体自动化控制，提高生产率。

经过本发明所提供的机构简单、成本低、污染小的适于自动化的制造设备可以有效、优质得到所述耐磨合金铸钢，其抗拉强度：1500-1800MPa，屈服强度：1200-1400MPa，延伸率：δ5 7-15％，V型缺口冲击韧性Akv25-40J，硬度：48-55HRC。并适合用于在低温环境中，如-20℃～0℃，与冻岩、冻土层接触的耐磨工程机械设备，适应在寒带环境中长期工作的要求。

附图说明

图1是本发明制造设备的总示意图；

图2是本发明制造设备中熔炼设备的示意图；和

图3是本发明制造设备中热处理设备的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种与新型耐磨合金铸钢及其制造设备。

其所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.27-0.32；Mn：0.70-0.90；Si：0.90-1.30；Cr：1.40-1.80；Mo：0.10-0.20；Ni：0.10-0.20；Ti：0.02-0.03。其中各合金所具有的主要功能为：

碳(C)：碳含量越高，钢的强度和硬度值增加，塑性和韧性值降低；

硅(Si)：强化铁素体，提高抗拉强度和屈服强度，提高耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；

锰(Mn)：提高强度，硬度和耐磨性；

铬(Cr)：降低钢的导热性，能提高耐磨性；

钼(Mo)：强化铁素体，提高高温性能，改善脆性；

镍(Ni)：扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素，提高强度而不显著降低塑性，有良好的耐腐蚀能力；

钛铁(Ti)：能强化铁素体，脱氧和细化晶粒。

本发明还提供了具有生产工艺、机构简单、成本低、污染小特点，其得到的耐磨合金铸钢的强韧性高、淬透性与淬硬性好的制造设备。为达到上述目的的制造设备包括：熔炼设备和热处理设备。

优选的如图1所示：熔炼设备A和热处理设备B均通过电线同具有信息接收、处理和执行能力的上位控制单元6相连。通过上位控制单元6接收熔炼设备A和热处理设备B中温度监控装置发出的有关温度信息，并控制上述装置的有关动作。具体例如图2和图3所示熔炼设备A和热处理设备B：

熔炼设备A：

为得到上述耐磨合金铸钢，本发明提供了一与其相应的，并具有生产工艺简单、成本低、污染小特点的熔炼设备系统，如图2所示。其具体包括：熔炼炉A1，置于炉内以监测所述熔炼炉内温度的温度监控装置A2，可向所述熔炼炉中投放材料的下料装置A3，以及与上述装置相连的上位控制单元6。

同时优选的，还可以具有与上位控制单元相连的并设有熔剂的造渣装置A4，以受控向所述熔炼炉A1中加入熔剂以形成熔渣；与上位控制单元相连的取样分析装置A5，以受控对熔炼炉A1中的钢液进行分析的取样分析并向控制单元传送数据结果；还有与上位控制单元相连的脱氧装置A6，以受控向熔炼炉A1中加入脱氧剂以尽量减小钢液中的含气量。

熔炼炉A1优选的实施例是采用酸性的高频或中频感应电炉进行熔炼，并根据炉子A1的容量大小来确定预装量。在熔炼时首先在炉A1中底部上由上位控制单元6控制造渣装置4撒上一层熔剂(厚度约10mm左右)，同时根据炉子的容量大小再装料，应先装入部分小料后即可送电熔化，随着炉料的熔化，应陆续装入未装完的炉料，为防止“架桥”(即阻塞)现象，应做到“下紧上松”，并且在熔炼过程中应及时捅料，以便炉料的熔化，并及时由上位控制单元6控制造渣装置A4撒上熔剂进行造渣，熔剂用量以覆盖住整个熔池液面为准。

在本发明优选的实施例中，所述上位控制单元6可以根据所获得的温度监控装置A2传送的温度信号，对熔炼炉A1的温度和下料装置A3的工作作出如下的控制：

当所述温度监控装置A2监测到所述熔炼炉A1内熔炼钢液升温至1550-1560℃时，所述下料装置A3分别加入元素：碳、钼铁、铬铁、镍、钛铁，对其搅拌后通过下料装置A3覆盖上熔剂造渣，然后继续升温；

当所述温度监控装置A2监测到所述熔炼炉A1内熔炼钢液升温至1570-1580℃时，所述下料装置A3加入硅铁；

然后控制取样分析装置A5进行炉前取样分析，分析仪器可优选的采用光谱仪，根据取样分析装置A5向上位控制单元所传送的炉前化学成份，所述控制单元控制所述下料装置A3再添补相应元素；

当所述温度监控装置A2监测到所述熔炼炉A1内熔炼钢液升温至1590-1600℃时，所述下料装置A3加入锰铁；

然后上位控制单元控制脱氧装置A6脱氧以尽量减小钢液的含气量，脱氧优选的为铝，其比例为0.03-0.06％，并及时控制造渣装置A4撒上熔剂造渣；然后控制取样分析装置A5进行炉后取样分析，并结合控制下料装置A3直至达到成份要求范围为止；

当所述温度监控装置A2监测到所述熔炼炉A1内熔炼钢液升温至1610-1630℃时，所述熔炼炉A1断电扒渣并出钢液浇注。

根据优选实施例中介绍，由于采用酸性炉进行熔炼，同时通过控制单元根据温度监控装置与一定钢液的温度相对应加入不同合金元素，因此使得贵重的重要合金元素的烧损降到最低，例如最后加入的锰铁的有效成分便得到最大的保护。这不仅使得整个熔炼过程生产工艺简单、污染小，同时生产成本也得到了有效的控制。另外，作为技术的进一步改进，通过在适当步骤间进行熔剂造渣，排出了熔液中的杂质，熔炼产品的精度和合格品率更加可靠和得以提高；又添加了炉前取样分析(还可以进行炉中取样分析)，使得工艺过程更加紧凑，生产效率和过程更加可靠，设备利用率高。

热处理设备B：

针对上述耐磨合金铸钢还提供乐热处理设备：

1、退火炉1：温度可被设为850℃-900℃，停留时间可被设为3-5小时的退火炉1；将所述耐磨合金铸钢8置于温度为850℃-900℃退火炉1中，保温3-5小时出炉，然后至于第一空气冷却处I，进行第一次空冷；

优选的实施例采用退火炉是推杆式退火炉，例如RJT-150-8推杆式等温退火炉，其共分7个加热区，各个加热区温度设定为850℃-900℃。多个被预制成与退火炉1的尺寸相适应的耐磨合金铸钢8工件依批次通过上述7个加热区，而被加热升温，并依次连续的在上述7个加热区中保温，以使得耐磨合金铸钢8在退火炉中获得有效长度的保温时间。加热区数量也可以是其他的数量，其确定依据之一是与工件所需加热的时间相适应，以保证工件的加热要求，和大规模连续生产的要求。

同时为达到自动化生产和更有效的控制退火工序的目的，在上述的7个加热区中可以设有温度监控装置9，以实现温度的显示、记录和远程报告，并进一步实现对退火炉温度的及时调整。优选的，一、二、三、四、五加热区采用TCW-32A三相调压，六七区用数显仪表示温度，每个区都有EL-100-60多点记录仪显示记录温度。耐磨合金铸钢8在保温3-5小时后出炉，然后至于第一空气冷却处I，进行第一次空冷。

2、淬火炉2和淬火槽7：温度可被设为900℃±10℃，停留时间可被设为150分钟的淬火炉2；冷却后产品温度设为300℃，置有冷却介质为水溶性淬火液3的淬火槽7；将前述经过第一次空冷的耐磨合金铸钢8置于温度控制在900℃±10℃的淬火炉2中保温150分钟后取出置于淬火槽7淬火，冷却介质为水溶性淬火液3，耐磨合金铸钢8冷致300℃左右后被运出淬火槽7。

优选的实施例采用铸链板式淬火炉，由5个加热区组成，各个加热区温度控制到900℃±10℃。工件保温150分钟后，自动置入淬火槽7，进行淬火。各个加热区中可以设有温度监控装置9，以实现温度的显示、记录和远程报告，并进一步实现对淬火炉温度的及时调整。优选的，各个加热区可以设有数显智能温控仪主控，多点记录仪集中记录并监控。另外，加热区数量也可以是其他的数量，其确定依据之一是与工件所需加热的时间相适应，以保证工件的加热要求，和大规模连续生产的要求。

淬火采用的冷却介质为水溶性淬火液3。优选的是配有PVA10％，三己醇胺1％，苯甲酸纳0.2％，太古油0.2％的水溶性淬火液。为实现进一步的自动化生产，与淬火槽7相连接的淬火介质系统5可以采用具有自动化能力较高大循环形式，并配有特殊搅拌功能，保证淬火液的连续和稳定供应。淬火液3淬火前的温度可以为正常温度，例如30度以下。耐磨合金铸钢8在淬火液3内滞留时间8-25min，通过淬火槽7中的温度监控装置9检测工件的冷却温度，当工件冷致300℃左右，然后由淬火槽7提升机传送带把工件送出淬火槽7到区域II处，然后进行回火处理。

3、回火炉4：温度可被设为200-230℃，停留时间可被设为3-4小时的回火炉4；将前述经过淬火的耐磨合金铸钢8置于温度为到200-230℃的回火炉中4，保温3-4小时取出，然后至于第二空气冷却处III，进行空冷。

优选的采用网带式回火炉：由5个加热区组成的，各个加热区温度升到200-230℃，保温3-4小时取出的进行空冷。加热区的数量同样基于上述原因可以选择其他的数量，而每个加热区可以设有数显智能温控仪主控，多点记录仪集中记录并监控等温度监控装置9，以实现温度的显示、记录和远程报告。

4、运输系统：其将所述耐磨合金铸钢在所述热处理系统间运输连接，以实现所述耐磨合金铸钢的热处理工艺。

其包括如下部分：将出自所述退火炉1的所述耐磨合金铸钢8运至第一空气冷却处I，再运至所述淬火炉2的第一运输装置A；将出自所述退淬火炉2的所述耐磨合金铸钢8运至所述淬火槽7冷却，再运至区域II处的第二运输装置B；将所述耐磨合金铸钢8运至所述回火炉4，再运至第二空气冷却处III的第三运输装置C。例如采用起吊装置，输送带等直线运输装置等。

另外，本热处理设备在上述需要时间控制的区域还配有检测所述耐磨合金铸钢停留在上述炉中时间的计时装置10，并可以实现时间的显示、记录和远程报告，便于整个生产的高度自动化。

作为更进一步的改进，本热处理设备中还具有上位控制单元6，本系统中的退火炉1、淬火炉2和淬火槽7、淬火介质系统5、回火炉4以及运输系统可以分别或同时的通过有线或无线11的形式同上位控制单元6相连接，以使得上位控制单元6可以获得本系统中的计时装置10和温度监控装置9发出的数据信号，并及时调整炉内的温度和停留时间，并控制运输系统与其相配合及时运输，最终实现整个系统的大规模化的系统自动控制。

上述热处理设备具有：自动程度高、便于对其全程进行远程和现场的过程控制、保证热处理工艺的顺利进行、使所述耐磨合金铸钢达到所需的机械性能等特点。

根据发明所揭示的耐磨合金铸钢及其制造设备，所述耐磨合金铸钢产品抗拉强度：1500-1800MPa，屈服强度：1200-1400MPa，延伸率：δ5 7-15％，V型缺口冲击韧性Akv25-40J，硬度：48-55HRC。本发明中的合金铸钢及其制造设备具有：生产工艺简单、成本低、强韧性高、淬透性与淬硬性好且无污染的特点。所得到的合金铸钢适合用于在低温环境中，如-20℃～0℃，与冻岩、冻土层接触的耐磨工程机械设备，适应在寒带环境中长期工作的要求。

本发明中所揭示的实施例，将通过权利要求得到体现和保护，任何根据本发明中所得到的启示，均落入本发明所保护的范围之中。

Claims (9)

1.一种耐磨合金铸钢，其特征在于：所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.27-0.32；Mn：0.70-0.90；Si：0.90-1.30；Cr：1.40-1.80；Mo：0.10-0.20；Ni：0.10-0.20；Ti：0.02-0.03。

2.一种耐磨合金铸钢的制造设备，包括：

1)熔炼设备，包括：

熔炼炉，置于炉内以监测所述熔炼炉内温度的温度监控装置，和可向所述熔炼炉中投放材料的下料装置，以及与上述装置相连的上位控制单元；所述上位控制单元可以根据所获得的温度监控装置传送的温度信号，对熔炼炉的温度和下料装置的工作作出如下的控制：

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1550-1560℃时，所述下料装置分别加入元素：碳、钼铁、铬铁、镍、钛铁；

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1570-1580℃时，所述下料装置加入硅铁；

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1590-1600℃时，所述下料装置加入锰铁；

当所述温度监控装置监测到所述熔炼炉内熔炼钢液升温至1610-1630℃时，所述熔炼炉断电并出钢液浇注。

2)热处理设备，包括：热处理系统和将所述耐磨合金铸钢在所述热处理系统间运输连接的运输系统，所述热处理系统包括：

温度可被设为850℃-900℃，停留时间可被设为3-5小时的退火炉；

温度可被设为900℃±10℃，停留时间可被设为150分钟的淬火炉；

冷却后产品温度设为300℃，置有冷却介质为水溶性淬火液的淬火槽；

温度可被设为200-230℃，停留时间可被设为3-4小时的回火炉。

3.根据权利要求2所述的耐磨合金铸钢的制造设备，所得到的耐磨合金铸钢抗拉强度：1500-1800MPa，屈服强度：1200-1400MPa，延伸率：δ5 7-15％，V型缺口冲击韧性Akv25-40J，硬度：48-55HRC，适用于制造用于在-20℃-0℃的环境下与冻岩、冻土层接触的耐磨工程机械设备。

4.根据权利要求2所述的耐磨合金铸钢的制造设备，其特征在于：所述熔炼钢液是采用酸性的高频或中频感应电炉进行熔炼。

5.根据权利要求2所述的耐磨合金铸钢的制造设备，其特征在于：还可以具有：

与上位控制单元相连的并设有熔剂的造渣装置，以控制其向所述熔炼炉中投入所述熔剂进行造渣；

与上位控制单元相连的取样分析装置，以控制其对炉中的合金元素进行取样分析并向上位控制单元输出结果，所述控制单元根据所述分析结果控制所述下料装置装入相应元素直至达到相应元素的所述成分范围；

与上位控制单元相连的脱氧装置，以受控向熔炼炉中加入脱氧剂以尽量减小钢液中的含气量，所述脱氧剂为0.03-0.06％的铝。

6.根据权利要求2所述的耐磨合金铸钢的制造设备，其特征在于：所述退火炉、淬火炉或回火炉可以具有多个加热区，所述每个加热区可以设有用于对所述加热区实现温度的显示、记录和远程报告的温度监控装置。

7.根据权利要求2所述的耐磨合金铸钢的制造设备，其特征在于：并还具有同所述淬火槽相连并为所述淬火槽提供淬火液的淬火介质系统，其具有自动化能力较高大循环形式，并配有特殊搅拌功能，保证淬火液的连续和稳定供应，其特征在于：所述水溶性淬火液含有PVA10％，三己醇胺1％，苯甲酸纳0.2％，太古油0.2％。

8.根据权利要求2所述的耐磨合金铸钢的制造设备，其特征在于：所述上位控制单元还可以分别或同时的通过有线或无线的形式同所述退火炉、淬火炉、回火炉以及运输系统连接，以使得上位控制单元可以获得本系统中的计时装置和温度监控装置发出的数据信号，并及时调整炉内的温度和停留时间，并控制运输系统与其相配合及时运输，最终实现整个系统的大规模化的系统自动控制。

9.根据权利要求7所述的耐磨合金铸钢的热处理设备，其特征在于：还具有上位控制单元，所述淬火介质系统同所述上位控制单元通过有线或无线的形式同上位控制单元相连接，以实现自动化控制。

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