CN103290329A - 一种高强韧合金铸钢挖掘机斗齿及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强韧合金铸钢挖掘机斗齿及其生产工艺，本发明采用综合合金化原理和微合金化原理构成高强韧合金铸钢挖掘机斗齿，所述的挖掘机斗齿为含有高强韧合金铸钢的化学成分的质量分数％为：C 0.15～0.21、Mn 1.66-2.00、Cr 0.80-1.00、Si 0.90～1.20、Mo 0.32～0.42、V 0.06～0.12、Nb 0.04～0.08、RE 0.04～0.08、余量为Fe。本发明通过合理的熔炼、浇铸斗齿工艺及热处理工艺而形成一种挖掘机斗齿。其优点在于易控制在大截面上得到低碳马氏体组织，具有高强韧性，特别是优良的低温韧性，抗中等冲击磨损性优良，斗齿的服役性能稳定可靠，使用寿命长，性能价格比优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强韧合金铸钢挖掘机斗齿及其生产工艺，其是通过综合合金化原理和微合金化原理进行合金设计，获得高强韧合金铸钢的化学成分，与之配套的熔炼、浇铸工艺及热处理工艺而形成一种挖掘机斗齿。
背景技术
在已知现有技术中，我国通用钢种35CrMnSi，其化学成分质量分数％为：C 0.32～0.39，Cr 1.10～1.40、Mn 0.80～1.10、Si 1.10～1.40、余量为Fe。国内目前使用的挖掘机斗齿主要为高锰钢，也有使用高硅耐磨钢和高铬耐磨铸铁。高锰钢的优势在用于重负荷下的冲击磨损，而在中等或低冲击负荷条件下高锰钢因加工硬化不足而不耐磨损。高硅耐磨钢和高铬铸铁在室温特别是低温下冲击值极低，冲击值低于ak5J而易产生脆断，且斗齿热处理工艺复杂、生产率低，大规模生产难度大。高强韧合金铸钢针对这些技术缺陷而研发。
本发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种在室温尤其是低温下在中等冲击负荷下抗冲击磨损的高强韧合金铸钢挖掘机斗齿及其生产工艺。所述的高强韧合金铸钢根据综合合金化原理和微合金化原理进行合金设计，为了进一步提高钢的淬透性，减小大截面斗齿心部和表面硬度差，采用高锰含量，锰的化学成分质量分数提高到1.66～2.00％，钼的质量分数提高到0.32～0.42％，调整了铬和硅的含量，并增加了微合金化元素钒和铌及稀土元素；用微合金化进一步提高钢的淬透性，使斗齿大截面从心部到表面都得到低碳马氏体组织，硬度均匀，使斗齿的整体强韧性更均匀。为了提高斗齿在室温，尤其是在低温下的韧性，将碳含量在保持高强状态下适当降低到低碳，其碳含量的质量分数为0.15～0.21％。淬火后得到低碳马氏体，在低温下得到更高的冲击韧性。采用微合金化进一步细化钢的晶粒以降低钢的韧——脆转化温度，提高在零下温度的冲击韧性。其一是加入稀土元素，一方面稀土元素可在钢液凝固时细化铸造枝晶组织，另一方面又偏聚在奥氏体晶界，细化奥氏体晶粒。用钒和铌复合微合金化，比采用单一微合金元素对细化奥氏体晶粒更有效。这样可使得斗齿在热处理后获得极细小的奥氏体晶粒和低碳马氏体组织。保证斗齿在低温下具有高韧性、耐冲击，获得整体的高强韧性。既具有较高硬度，耐磨性，又具有高的抗冲击负荷冲击磨损，防止发生早期脆断，有优越的工作可靠性。
本发明的目的是通过下述方案来实现的，根据本发明的第一方面，本发明提供的高强韧合金铸钢挖掘机斗齿是这样构成的，所述的挖掘机斗齿，为含有的高强韧合金铸钢的化学成分质量分数％为：C 0.15～0.21、Mn 1.66-2.00、Cr0.80-1.00、Si 0.90～1.20、Mo 0.32～0.42、V 0.06～0.12、Nb 0.04～0.08、RE 0.04～0.08、余量为Fe。
根据本发明的第二方面，本发明所提供的高强韧合金铸钢挖掘机斗齿的生产工艺，是由熔炼、浇铸工艺和热处理工艺组成，其工艺特征在于：所述的熔炼、浇铸斗齿工艺，用感应电炉或电弧炉熔炼高强韧合金铸钢，所述的高强韧合金铸钢的化学成分质量分数％为：C 0.15～0.21、Mn 1.66-2.00、Cr 0.80-1.00、Si 0.90～1.20、Mo 0.32～0.42、V 0.06～0.12、Nb 0.04～0.08、RE 0.04～0.08、余量为Fe，熔炼温度为：1580～1620℃，出钢温度为1580～1600℃，出钢到钢包中，开浇温度为1450～1480℃，在开浇前40秒将将铝箔包扎的稀土合金插入钢包中搅拌，30秒后开浇，其采用精密铸造、真空实型铸造、树脂砂模铸造，开浇温度为1450～1480℃，浇完后铸件缓冷到室温脱模；
所述的热处理工艺包括以下步骤：斗齿浇完后进行退火，控制加热速度由室温到200℃为60～80℃/h，200℃以上为100～120℃/h，在860～900℃保温3-4小时，炉冷到700℃保温5小时，炉冷到500℃出炉空冷；斗齿经机加工后进行淬火，工件以100～120℃/h加热到860～900℃，保温3～4小时，由炉中取出工件冷待30秒～1分钟然后淬火，冷却介质根据需要，有三种介质可选：水玻璃水溶液，其比重为1.15、聚乙烯醇水溶液合成剂或3号锭子油。其中聚乙烯醇水溶液合成剂中，聚乙烯醇的浓度为0.25～0.5％。工件冷到350℃取出空冷到室温，淬火完毕，然后立即进行回火，以60℃/h加热到220℃，保温3小时取出空冷。
本发明应用综合合金化原理和微合金化原理，通过精确控制高强韧合金铸钢的化学成分、熔炼、浇铸工艺和热处理工艺，在挖掘机斗齿从表面到心部都获得高强韧性的低碳马氏体组织，即具有高强度又具有低的韧-脆转化温度，高的室温和低温韧性。室温拉伸力学性能如屈服强度、抗拉强度、伸长率由北京科技大学新金属材料国家实验室的MTS809电液伺服材料试验机测定。为了和以前测定的类似钢的性能比较，仍然使用1987年GB/T228-1987<金属拉伸试验方法>，给出高强韧合金铸钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率数据，其屈服强度为950MPa，抗拉强度为1200MPa，延伸率为12％。室温和低温冲击韧性参数用JB-300手动冲击试验机根据GB229-1984夏比(U型缺口)冲击试验方法测定，室温冲击韧性为90J/cm2，-40℃冲击韧性为35J/cm2。硬度参数的测定是在金属洛氏硬度计上，根据金属洛式硬度试验国家标准GB/T23002-2002测定的，洛氏硬度为HRC 50，可保证斗齿的强韧性和安全可靠。
本发明的优点为：
1、提高了斗齿在室温尤其是在低温下的使用寿命，防止在零下温度工作时发生脆断，提高了斗齿工作安全可靠性和耐磨性。
2、采用了综合合金化和微合金化原理，优化了高强韧合金铸钢的化学成分，完善了在室温下的高强度和高韧性的合理配合，提高了抗中等冲击负荷下斗齿的服役性能。
3、高强韧合金铸钢具有较高的淬透性，在风冷下即可得到低碳马氏体组织，完全消除了工件淬火变形开裂倾向，在使用比重为1.15的水玻璃水溶液或者聚乙烯醇水溶液合成剂或3号锭子油时，淬火后在斗齿表面和心部获得均匀硬度，硬度偏差小于HRC 3～4，整体强韧性好，其使用寿命比高锰钢提高50％左右。
4、挖掘机使用本发明的高强韧合金铸钢斗齿防止了在室温或低温下发生脆断事故，保证生产有序进行，提高了设备的安全性和作业率。
具体实施方式
实施例1：
一种3吨挖掘机斗齿及其生产工艺
一种3吨挖掘机斗齿所含的高强韧合金铸钢化学成分质量分数％为：C 0.18、Mn 1.85、Cr 0.93、Si 1.05、Mo 0.36、V 0.08、Nb 0.06、RE 0.04、余量为Fe。高强韧合金铸钢的熔炼温度为1600℃。出钢温度为1580℃，出钢到钢包中，开浇温度为1460℃，在开浇前40秒，将用铝箔包扎好的稀土合金插入钢包中搅拌，30秒后开浇，采用精密铸造，铸完缓冷到室温，接着进行退火，退火加热速度在200℃以下以80℃/h，200℃以上120℃/h加热到退火温度880℃保温3小时，炉冷到680℃保温4小时，炉冷到400℃出炉空冷。机加工后淬火，加热速度200℃以下100℃/h，200℃以上120℃/h，淬火温度880℃保温3小时，出炉冷待20秒后在比重为1.15的水玻璃水溶液、聚乙烯醇水溶液合成剂或3号锭子油中淬火，工件冷到350℃取出空冷到室温，淬火完毕，然后进行回火，以60℃/h加热到220℃回火保温3小时，取出空冷到室温，斗齿的表面硬度为HRC50。
实施例2：
一种4吨挖掘机斗齿及其生产工艺
一种4吨挖掘机斗齿所含的高强度韧合金铸钢化学成分质量分数％为：C 0.21、Mn 1.96、Cr 0.95、Si 1.03、Mo 0.40、V 0.08、Nb 0.06、RE 0.04，余量为Fe。
高强韧合金铸钢的熔炼温度为1600℃，出钢温度为1580℃，出钢到钢包中，开浇温度为1460℃，在开浇前40秒将铝箔包扎好的稀土合金插入钢包中搅拌，30秒后开浇，采用砂模铸造，铸锭缓冷到室温，接着进行退火，退火加热速度在200℃以下以80℃/h，200℃以上以120℃/h加热到退火温度880℃保温3小时，炉冷到680℃保温4小时，接着炉冷到400℃出炉空冷。机加工后进行淬火，淬火加热速度为200℃以下以100℃/h，200℃以上以120℃/h，淬火温度为880℃保温3小时，出炉冷待30秒后在比重为1.15的水玻璃水溶液、聚乙烯醇水溶液合成剂或3号锭子油中淬火，工件冷到350℃取出空冷到室温，淬火完毕。然后立即回火，以60℃/h加热到220℃回火保温3小时，取出空冷到室温，斗齿的表面硬度为HRC 52。
Claims (3)
1.一种铸造高强韧合金铸钢挖掘机斗齿，其特征在于高强韧合金铸钢挖掘机斗齿是这样构成的，所述的挖掘机斗齿所含的高强韧合金铸钢的化学成分质量分数％为：C 0.15～0.21、Mn 1.66-2.00、Cr 0.80-1.00、Si 0.90～1.20、Mo 0.32～0.42、V 0.06～0.12、Nb 0.04～0.08、RE 0.04～0.08、余量为Fe。
2.一种铸造高强韧合金铸钢挖掘机斗齿的生产工艺，其是由熔炼、浇铸斗齿工艺及热处理工艺组成，其工艺特征在于：
a、所述的熔炼、浇铸斗齿工艺，其是用感应电炉或电弧炉熔炼高强韧合金铸钢，所述的高强韧合金铸钢的化学成分质量分数％为：C 0.15～0.21、Mo 1.66-2.00、Cr 0.80-1.00、Si 0.90～1.20、Mo 0.32～0.42、V 0.06～0.12、Nb 0.04～0.08、RE0.04～0.08、余量为Fe，熔炼温度为1580～1620℃，出钢温度为1580～1600℃，出钢到钢包中，开浇温度为1440～1480℃，在开浇前40秒钟将铝箔包扎的稀土合金插入钢包中搅拌，30秒后开浇，其采用精密铸造、真空实型铸造、树脂砂模铸造，浇完后铸件缓冷到室温脱模；
b、所述的热处理工艺：斗齿浇完后进行退火，控制加热速度由室温到200℃为60～80℃/h，200℃以上为100～120℃/h，在860～900℃保温3～4小时，炉冷到700℃保温5小时，炉冷到500℃出炉空冷，斗齿经过机加工后进行淬火，工件以100～120℃/h，加热到860～900℃，保温3～4小时，由炉中取出工件冷待30秒～1分钟然后淬火，冷却介质为比重为1.15的水玻璃水溶液，或者聚乙烯醇水溶液合成剂，或者3号锭子油，工件冷到350℃取出空冷到室温，淬火完毕，然后立即进行回火，以60℃/h加热到220℃保温3小时取出空冷。
3.根据权利要求2所述的一种铸造高强韧合金铸钢挖掘机斗齿的生产工艺，其特征在于当所述冷却介质为聚乙烯醇水溶液合成剂时，聚乙烯醇的浓度为0.25～0.5％。
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