CN103194664A

CN103194664A - 一种高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒及其铸造方法

Info

Publication number: CN103194664A
Application number: CN2013101143614A
Authority: CN
Inventors: 刘宪民; 刘明亮; 焦守民; 郭宏涛; 周长猛
Original assignee: SHANDONG HUIFENG CASTING CO Ltd
Current assignee: SHANDONG HUIFENG CASTING CO Ltd
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: CN103194664B

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒及其铸造方法。它的主要化学成分（质量百分数%）：C：3.4～3.7，Si：2.1-2.4，Mg：0.03～0.06，Y：0.02～0.04，Sn：0.006～0.012，Sb：0.012～0.018，RE：0.02～0.04，N：0.035～0.060，V：0.040～0.065，Nb：0.040～0.065，Ca：0.005～0.010，Ba：0.005～0.010，Mn：0.15～0.24。本发明在球墨铸铁中加入少量合金元素，通过球化、孕育及退火后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。

Description

一种高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒及其铸造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒及其铸造方法，属于铸造技术领域。

背景技术

卷扬减速机广泛应用于各种起重设备中，卷筒是卷扬减速机的主要部件，也是起重机的重要部件之一，由于装配后钢丝绳缠绕在卷筒筒身上，卷筒直接承受载荷，因此卷筒本身质量对起重机的安全运行有着至关重要的作用。随着现代工程的大型化发展，起重重量及扬程大大增加，这就对卷筒的材质及其结构提出了新的更高的要求。另外，卷筒工作面在工作时承受很大的挤压应力和剪切应力，这就要求工作面有较高的硬度、强度和韧性。

卷筒材料目前主要有以下几类：铸钢、灰铁、碳素结构钢板，但其绳槽表面硬度较低、耐磨性较差、使用寿命较低。采用合金冷硬铸铁制造卷筒，可以显著改善表面层硬度，提高寿命，但一般用于小型光面卷筒（绳槽加工困难）。卷筒的材料主要取决于卷筒的使用条件。根据《起重机用铸造卷筒技术条件》（JB/T90006.3-1999）之规定，铸造卷筒材料应采用不低于GB/T9439中规定的HT200灰铸铁，或GB/T11352中规定的ZG270-500铸钢。除铸造卷筒外，另一类是焊接卷筒，其所用的材料是钢板，如Q235等。但关于球铁卷筒目前尚未见报导。

卷筒铸造工艺一般采用粘土砂干型、立式三箱（或多箱）造型、立式底注或阶梯浇注。立式造型不适合于绳槽铸造成型，且多箱造型易造成偏箱。目前，卷筒铸造工艺设计主要靠经验来完成，造成废品率较高、工艺出品率较低。卷筒的制备工艺根据材料不同主要有如下几种：

（1）灰铸铁卷筒：铸造无绳槽或带绳槽毛坯——时效处理——机械加工——检验——包装入库。

（2）铸钢卷筒：铸造无绳槽毛坯——退火处理——（焊接）——绳槽及其它加工——检验——包装入库。

（3）焊接卷筒：钢板弯曲加工——焊接——绳槽及其它加工——检验——包装入库。

因灰铸铁铸造性能较好，通过采用适当的工艺措施绳槽可以铸造成形，从而无需加工绳槽工序，降低生产成本。但灰铸铁强度较低，一般仅用于吨位及杨程较小的起重机卷筒，也有关于灰铸铁卷筒断裂的报导（戴绿云，JK15型卷扬机卷筒断裂原因分析，国外热处理，1999，（3）：46-48），即其安全性较差。铸钢的力学性能优于灰铸铁，但其铸造性能较差，绳槽铸造成形很困难，均采用加工成形，且较大尺寸铸钢卷通常采用分体铸造+焊接的方法制造，不仅工艺复杂，而且焊缝及热影响区性能往往较低，这对保证其使用性能不利，已有铸钢卷筒因焊接裂纹而报废的报道（许毓善等，JD-40调度绞车卷筒焊接裂纹分析，煤炭技术，2000，19（1）:9-10）。（钢板）焊接卷筒比相同尺寸的铸造卷筒轻，是大型起重机常用的卷筒，其绳槽只能通过机械加工来完成，对于双折线、单折线等不连续绳槽，加工难度很大、成本高。

球墨铸铁具有较好的综合力学性能，完全能够满足卷筒对材料性能的要求，而且其具有较好的铸造性能，绳槽的铸造成形是可能的。但其技术难度很大，必须保证较高的表面质量，避免缩松、皮下气孔、表面灰口层等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有卷扬机卷筒存在的各种不足，在球墨铸铁中加入少量合金元素，通过球化、孕育及退火工艺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：一种高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒，其特征是，其化学组成成分（质量百分数）为：C：3.4～3.7%，Si：2.1-2.4%，Mg：0.03～0.06%，Y：0.02～0.04%，Sn：0.006～0.012%，Sb：0.012～0.018%，RE（除Y以外的其他稀土元素）：0.02～0.04%，N：0.035～0.060%，V：0.040～0.065%，Nb：0.040～0.065%，0.095%≤V+Nb≤0.120%，Ca：0.005～0.010%，Ba：0.005～0.010%，0.012≤Ca+Ba≤0.018%，Mn：0.15～0.24%，Ti<0.015%，Al<0.012%，P<0.04%，S<0.012%，余量为Fe及不可避免的杂质。

铸造方法，其特征是，包括以下步骤：

1）熔炼：先用废钢、硅铁和生铁（或增碳剂）混合加热熔化成铁水，要求铁水的化学成分及其重量百分比分别为：C：3.6～3.8%、Si：1.2-1.4%、Mn：0.16～0.25%、S≤0.05%、P≤0.04%；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，调整铁液的Sn、Sb、V、Nb和N元素的含量，保温1～3分钟后出炉；

2）球化：将轻稀土球化剂（如稀土镁合金FeSiMg8Re3）置于浇包底部，其上覆盖重稀球化剂（如DY-20钇基重稀土球化剂）采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理；球化处理后镁残余量（Mg残）控制在0.03%～0.06%，Y残余量控制在0.02-0.04%，稀土RE残余量控制在0.02～0.04%。

优选地，球化剂的加入量：球化剂加入总量为铁水量的1.6-2.0%；轻稀土球化剂与重稀土球化剂的质量比为1：1。

3）一次孕育：球化完成后，加入75SiFe进行第一次孕育处理，以消除球化元素所造成的白口倾向，并同时细化石墨球。一次孕育剂75SiFe的加入量为铁水总质量0.4%～0.6%。

4）二次孕育：卷筒浇注过程中随流加入铁水总质量0.3%～0.5%的硅钙钡合金，进行二次孕育处理；经此处理后，钙含量控制在0.005%～0.010%，钡含量控制在0.005%～0.010%，且0.010%≤Ca+Ba≤0.020%。

5）退火：卷筒浇注12～24小时后，开箱、清理，然后在200～260℃进行去应力退火处理，保温时间12～30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：碳是球墨铸铁的基本元素，碳高有助于石墨化。由于石墨呈球状后石墨对机械性能的影响已减小到最低程度，球墨铸铁的含碳量一般较高，在3.4～3.7%之间，碳当量在4.1～4.5%之间。铸件壁薄、球化元素残留量大或孕育不充分时取上限；反之，取下限。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性，对于球墨铸铁而言，碳当量的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀提高铁液的自补缩能力。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。

硅：硅在球墨铸铁中，硅是第二个有重要影响的元素，它不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。但是，硅提高铸铁的韧脆性转变温度，降低冲击韧性，因此硅含量不宜过高，尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时，更需要严格控制硅的含量。

硫：硫是一种反球化元素，它与镁、稀土等球化元素有很强的亲合力，硫的存在会大量消耗铁液中的球化元素，形成镁和稀土的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷。球墨铸铁中硫的含量一般要求小于0.012%。

磷：磷是一种有害元素。它在铸铁中溶解度极低，当其含量小于0.04%时，固溶于基体中，对力学性能几乎没有影响。当含量大于0.04%时，磷极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，降低铸铁的韧性。磷提高铸铁的韧脆性转变温度，当含磷量增加时，韧脆性转变温度就会提高。

锰：锰球墨铸铁中锰的作用就主要表现在增加珠光体的稳定性，帮助形成炭化锰、炭化铁。这些碳化物偏析于晶界，对球墨铸铁的韧性影响很大。锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0.1%，脆性转变温度提高10～12℃。因此，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好，即使珠光体球墨铸铁，锰含量也不宜超过0.4%。一般都是遵循这一规律的。

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Ce2O2S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 Measurementsin 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。

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。

锑和铼：通过添加微量的Sb配合稀土Re，完全可以取代通过添加Cu来增加铸件珠光体的含量，而且Sb只需加不到Cu的10%加可以达到原来通过添加Cu所达到的效果，甚至抗拉强度更高、珠光体含量更多，而延伸率同样满足要求，无需再用昂贵的Cu.

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720Mpa，延伸率大于8.5%，冲击韧性大于28J/cm²；

2）本发明卷筒不含钼、镍、铜等昂贵合金元素，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25～35%，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

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、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）将轻稀土镁合金和重稀土镁合金（二者质量比为1：1，总加入量为2.0%）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1400℃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240℃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、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）将轻稀土镁合金和重稀土镁合金（二者质量比为1：1，总加入量为1.6%）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1410℃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260℃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	V	Nb
									实施例1	3.52	2.39	0.031	0.028	0.006	0.017	0.045	0.064
实施例2	3.69	2.12	0.057	0.022	0.011	0.013	0.065	0.041
									元素	N	Ca	Ba	Mn	Ti	Al	P	S
实施例1	0.037	0.009	0.008	0.17	0.006	0.005	0.037	0.008
									实施例2	0.059	0.007	0.006	0.23	0.009	0.005	0.039	0.011

表2卷筒力学性能

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25～35%（由4000小时提高到5000小时），而本发明卷筒成本为16000元/吨，比钢卷筒生产成本降低25～35%，推广使用本发明卷筒具有很好的经济和社会效益。

Claims

1.一种高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒，其特征是，其化学成分及其质量百分比为：C：3.4～3.7%，Si：2.1-2.4%，Mg：0.03～0.06%，Y：0.02～0.04%，Sn：0.006～0.012%，Sb：0.012～0.018%，RE：0.02～0.04%，N：0.035～0.060%，V：0.040～0.065%，Nb：0.040～0.065%，0.095%≤V+Nb≤0.120%，Ca：0.005～0.010%，Ba：0.005～0.010%，0.012≤Ca+Ba≤0.018%，Mn：0.15～0.24%，Ti<0.015%，Al<0.012%，P<0.04%，S<0.012%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒，其特征是，其抗拉强度大于720Mpa，延伸率大于8.5%，冲击韧性大于28J/cm²。

3.权利要求1或2所述的高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒的铸造方法，其特征是，

1）熔炼：先用废钢、硅铁和生铁或增碳剂混合加热熔化成铁水，要求铁水的化学成分及重量百分比分别为：C：3.6～3.8%、Si：1.2-1.4%、Mn：0.16～0.25%、S≤0.05%、P≤0.04%；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，调整铁液的Sn、Sb、V、Nb和N元素的含量，保温1～3分钟后出炉；

2）球化：将轻稀土球化剂置于浇包底部，其上覆盖钇基重稀球化剂采用堤坝式冲入法球化工艺对铸铁进行球化处理；球化处理后镁残余量控制在0.03%～0.06wt%，Y残余量控制在0.02-0.04wt%，稀土RE残余量控制在0.02～0.04wt%；

3）一次孕育：球化完成后，加入75SiFe进行一次孕育处理；75SiFe的加入量为铁水总质量0.4%～0.6%；

4）二次孕育：卷筒浇注过程中随流加入硅钙钡合金，进行二次孕育处理；经此处理后，钙含量控制在0.005～0.010wt%，钡含量控制在0.005～0.010wt%，且0.010wt%≤Ca+Ba≤0.020wt%；

4.如权利要求3所述的高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒的铸造方法，其特征是，述步骤（2）轻稀土球化剂为稀土镁合金FeSiMg8Re3；所述钇基重稀球化剂为DY-5钇基重稀土球化剂。

5.如权利要求4所述的高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒的铸造方法，其特征是，所述步骤（2）轻稀土球化剂与钇基重稀土球化剂的质量比为1：1；所述轻稀土球化剂与钇基重稀土球化剂加入总量为铁水量的1.6-2.0%。

6.如权利要求3-5中任意一项所述的高强度高韧性的卷扬机球墨铸铁卷筒的铸造方法，其特征是，所述步骤（4）硅钙钡合金的加入量为铁水总质量0.3%～0.5%。