CN104004964B - 高强韧高耐磨铰刀齿及其热处理方法 - Google Patents

高强韧高耐磨铰刀齿及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强韧高耐磨铰刀齿材料及其热处理方法，解决了现有铰刀齿较易发生断裂和裂纹，使用寿命短的问题。所述铰刀齿含有下列重量百分比的化学成分：C0.33-0.35％，Mn？1.50-1.70％，Si0.50-0.70％，Cr1.30-1.50％，Mo？0.05-0.10％，V0.05-0.10％，Ti0.10-0.15％，B？0.008-0.015％，S≤0.040％，P≤0.070％，余量为Fe。获得上述铰刀齿的热处理方法包括铰刀齿整体热处理及齿尖表面感应加热淬火两个步骤。本发明铰刀齿的抗拉强度为1500-1650MPa，延伸率为8-14％，V型缺口冲击韧性为28-34J/cm2，硬度HRC49-53，使用寿命比国内高锰钢同类产品提高40-50％；生产工艺简单，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

高强韧高耐磨铰刀齿及其热处理方法
技术领域
本发明涉及一种疏浚挖泥船行业中使用的铰刀齿及其热处理方法，特别是涉及一种具有高强韧高耐磨的铰刀齿及其热处理方法。
背景技术
铰刀齿主要用于江、河、港口等进行疏浚施工的挖泥船上，洗悬臂梁构件，均为水下作业，主要承担河砾石的开挖任务，它是疏浚工程施工中广泛使用的量大、面广的易损件。挖掘时，铰刀尺直接与砂土、岩石等物料接触，铰刀齿尖部要反复承受的较大的冲击滑动磨粒磨损，尖部表面常出现各式犁沟、凿削、变形，造成表面磨损或脱落。因此，铰刀齿既要求具有高强度、高硬度，还要求具有优良的冲击韧性和良好的耐磨性。目前大型挖泥船铰刀齿材料还需进口，成本较高。国内铰刀齿材料多采用高锰钢(ZGMn13)，例如200610134360.6的“超高性能耐磨高硅钢及其生产方法”，其化学成分为按重量百分比为：C：1.00-1.50％，Mn：10.5-20.0％，Si：0.30-0.80％，Cr：1.30-2.80％，S≤0.040％，P≤0.070％，Ti：0.06-0.20％，V：0.10-0.40％，B：0.002-0.010％，Mg：0.06-0.30％，RE：0.08-0.40％，N：0.05-0.20％，余量为Fe。高锰钢水韧处理后的组织为单向奥氏体，在强烈冲击、挤压等载荷的反复作用下具有加工硬化的特点，冲击能量越大，硬化效果越好。但在中小载荷凿削式的工况下，高猛钢的加工硬化峰不在外表层，而在亚表层，此处的组织脆化萌生裂纹会引起磨损表面的剥落。可见，高锰钢对疏浚作业中这种既受冲击又受复杂磨料磨损的工况条件下的耐磨性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强韧高耐磨的疏浚挖泥船铰刀齿及其热处理方法，解决了现有铰刀齿较易发生断裂和裂纹，使用寿命短的问题。该铰刀齿材料具有强度硬度高、韧性优异、抗磨损性能好、成本低等优点。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案来实现：
一种高耐磨疏浚挖泥船铰刀齿，含有下列重量百分比的化学成分：C0.33-0.35％，Mn1.50-1.70％，Si0.50-0.70％，Cr1.30-1.50％，Mo0.05-0.10％，V0.05-0.10％，Ti0.10-0.15％，B0.008-0.015％，S≤0.040％，P≤0.070％，余量为Fe。
本发明采用多元合金铸钢作为疏浚挖泥船铰刀齿材料，其碳含量为中低碳，其他适量合金化元素的加入提高铰刀齿的淬透性，提高钢中奥氏体的硬度和强度，并且贝氏体和马氏体具有高强韧性，提高了铰刀尺的强度、硬度和耐磨性。
一种上述高强韧高耐磨铰刀齿的热处理方法，包括铰刀齿整体热处理及齿尖表面感应加热淬火两个步骤，具体步骤如下：
一、铰刀齿整体热处理：(1)采用砂模铸造上述化学成分的铸钢铰刀齿，开浇温度为1580-1630℃，浇注完成后缓冷到室温脱模；(2)铰刀齿浇注脱模后首先进行整体退火，控制加热温度在300℃以下为50-70℃/小时，300℃以上为120-150℃/小时，在980-1050℃保温2-4小时，以70-90℃/小时炉冷至700-800℃保温2-3小时，然后炉冷到400℃取出空冷至室温；(3)然后经机加工切除浇冒口后进行整体淬火，控制加热温度在300℃以下为50-70℃/小时，300℃以上为120-150℃/小时，加热到930-950℃，保温2-3小时后，由炉中取出空冷待5-10秒，放入恒温300-400℃的硝酸盐溶液(55％NaNO3+45％KNO3)中进行淬火，保温2-3小时取出空冷至室温；(4)再以40-50℃/小时加热到240-300℃进行铰刀齿整体回火处理，保温40-60分钟后，取出空冷至室温；
二、齿尖表面感应加热淬火：取以上所述整体热处理后的铰刀齿再利用高频感应加热装置对齿尖进行表面感应加热淬火，齿尖的感应加热温度为860-910℃，感应加热10-20秒，然后使用质量浓度为15％的盐水淬火到室温，再将齿尖放入恒温160-200℃的硝酸盐溶液(55％NaNO3+45％KNO3)中进行回火处理，保温20-40分钟后，取出空冷至室温，即得本发明所述疏浚挖泥船铰刀齿。
本发明采用合理的合金元素配比，大大提高了淬适性，采用硝盐盐浴淬火，热效率高，齿件加热均匀，并可在大截面上获得贝氏体和马氏体，使热处理对铰刀齿的组织控制更加可靠。采用表面感应加热淬火提高了齿尖表面的硬度和耐磨性，同时齿尖的心部还保留很好的韧性，避免齿尖在大冲击负荷下的断裂。本发明所述铰刀齿的屈服强度为1000-1150MPa，抗拉强度为1500-1650MPa，延伸率为8-14％，V型缺口冲击韧性为28-34J/cm2，硬度HRC49-53，达到了高强硬高耐磨与高韧性的配合，在不同的疏浚施工工况条件下，其经受低中高各种冲击负荷下均能表现出优异的性能，使用寿命较长。
本发明的优点在于：
1、优化了铰刀齿的化学成分，铰刀齿保持高强硬的同时还具有高韧性，耐磨性能优异，提高了铰刀齿的使用寿命。
2、热处理工艺容易操作，铰刀齿组织容易控制且稳定性好，降低铰刀齿在热处理过程中的变形开裂倾向。
3、本发明铰刀齿的抗拉强度为1500-1650MPa，延伸率为8-14％，V型缺口冲击韧性为28-34J/cm2，硬度HRC49-53，可替代大型挖泥船用铰刀齿进口产品，使用寿命比国内高锰钢同类产品提高40-50％。
4、本发明铰刀齿生产工艺简单，且具有高强韧和高耐磨性，使用寿命较长，降低了疏浚作业中铰刀齿的更换和维修次数，提高了生产效率，降低了生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例以生产疏浚挖泥船铰刀齿用钢(5吨钢水)为例，该钢种的化学成分为(重量百分比)：C0.35％，Mn1.55％，Si0.53％，Cr1.43％，Mo0.09％，V0.07％，Ti0.10％，B0.009％，S0.025％，P0.063％，余量为Fe。
该铰刀齿的制备方法为：钢水开浇温度为1530℃，树脂砂模铸造，在模壳温度250℃时浇注，浇注完成后铸件缓冷到室温脱模，脱模后进行退火，控制加热温度在300℃以下为70℃/小时，300℃以上为130℃/小时，在1000℃保温3小时，以80℃/小时炉冷至750℃保温2小时，然后炉冷到400℃取出空冷至室温。然后经机加工切除斗齿上的浇冒口后进行淬火，控制加热温度在300℃以下为60℃/小时，300℃以上为130℃/小时，加热到930℃，保温2小时，然后由炉中取出冷待8秒，放入恒温300℃的硝酸盐溶液(熔盐成分按重量比为55％NaNO3+45％KNO3)中进行淬火，保温1小时取出空冷至室温，再以50℃/小时加热到280℃进行回火处理，保温40分钟后，取出空冷至室温。再利用中频感应加热装置对齿尖进行表面感应加热淬火，齿尖的感应加热温度为870℃，感应加热20秒，然后使用15％盐水淬火到室温，再将齿尖放入恒温180℃的硝酸盐溶液(55％NaNO3+45％KNO3)中进行回火处理，保温30分钟后，取出空冷至室温，即得疏浚挖泥船铰刀齿。
该实施例铰刀齿的力学性能如下：
室温抗拉强度为1580MPa，伸长率为6.2％，V型缺口冲击韧性为32J/cm2，硬度HRC50。
经装船试验，相同工况条件下，该铰刀齿的使用寿命比国内高锰钢铰刀齿提高38％，比荷兰进口铰刀齿提高8％。
实施例2：
本实施例以生产高耐磨疏浚挖泥船铰刀齿用钢(3吨钢水)为例，该钢种的化学成分为(重量百分比)：C0.33％，Mn1.58％，Si0.70％，Cr1.47％，Mo0.10％，V0.08％，Ti0.15％，B0.015％，S0.020％，P0.043％，余量为Fe。
该铰刀齿的制备方法为：钢水开浇温度为1510℃，树脂砂模铸造，在模壳温度300℃时浇注，浇注完成后铸件缓冷到室温脱模，脱模后进行退火，控制加热温度在300℃以下为80℃/小时，300℃以上为140℃/小时，在980℃保温2.5小时，以80℃/小时炉冷至800℃保温2小时，然后炉冷到400℃取出空冷至室温。然后经机加工切除斗齿上的浇冒口后进行淬火，控制加热温度在300℃以下为70℃/小时，300℃以上为120℃/小时，加热到900℃，保温2.5小时，然后由炉中取出冷待7秒，放入恒温320℃的硝酸盐溶液(熔盐成分按重量比为55％NaNO3+45％KNO3)中进行淬火，保温1.5小时取出空冷至室温，再以50℃/小时加热到300℃进行回火处理，保温30分钟后，取出空冷至室温。再利用中频感应加热装置对齿尖进行表面感应加热淬火，齿尖的感应加热温度为90℃，感应加热10秒，然后使用15％盐水淬火到室温，再将齿尖放入恒温160℃的硝酸盐溶液(55％NaNO3+45％KNO3)中进行回火处理，保温40分钟后，取出空冷至室温，即得疏浚挖泥船铰刀齿。
该实施例铰刀齿的力学性能如下：
室温抗拉强度为1630MPa，伸长率为5.5％，V型缺口冲击韧性为30J/cm2，硬度HRC51。
经装船试验，相同工况条件下，该铰刀齿的使用寿命比国内高锰钢铰刀齿提高40％，比荷兰进口铰刀齿提高10％。
实施例3：
本实施例以生产高耐磨疏浚挖泥船铰刀齿用钢(5吨钢水)为例，该钢种的化学成分为(重量百分比)：C0.35％，Mn1.65％，Si0.67％，Cr1.41％，Mo0.08％，V0.10％，Ti0.13％，B0.012％，S0.031％，P≤0.056％，余量为Fe。
该铰刀齿的制备方法为：钢水开浇温度为1580℃，树脂砂模铸造，在模壳温度250℃时浇注，浇注完成后铸件缓冷到室温脱模，脱模后进行退火，控制加热温度在300℃以下为70℃/小时，300℃以上为130℃/小时，在1050℃保温3小时，以80℃/小时炉冷至700℃保温2.5小时，然后炉冷到400℃取出空冷至室温。然后经机加工切除斗齿上的浇冒口后进行淬火，控制加热温度在300℃以下为60℃/小时，300℃以上为140℃/小时，加热到950℃，保温2小时，然后由炉中取出冷待8秒，放入恒温350℃的硝酸盐溶液(熔盐成分按重量比为55％NaNO3+45％KNO3)中进行淬火，保温2小时取出空冷至室温，再以40℃/小时加热到280℃进行回火处理，保温60分钟后，取出空冷至室温。再利用中频感应加热装置对齿尖进行表面感应加热淬火，齿尖的感应加热温度为870℃，感应加热20秒，然后使用15％盐水淬火到室温，再将齿尖放入恒温200℃的硝酸盐溶液(55％NaNO3+45％KNO3)中进行回火处理，保温25分钟后，取出空冷至室温，即得疏浚挖泥船铰刀齿。
该实施例铰刀齿的力学性能如下：
抗拉强度为1600MPa，伸长率为7.5％，V型缺口冲击韧性为35J/cm2，硬度HRC49。
经装船试验，相同工况条件下，该铰刀齿的使用寿命比国内高锰钢铰刀齿提高45％，比荷兰进口铰刀齿提高12％。

Claims (3)

1.一种高强韧高耐磨铰刀齿的热处理方法，其特征在于所述热处理方法步骤如下：
一、铰刀齿整体热处理：(1)采用砂模铸造含有下列重量百分比化学成分的铸钢铰刀齿：C0.33-0.35％，Mn1.50-1.70％，Si0.50-0.70％，Cr1.30-1.50％，Mo0.05-0.10％，V0.05-0.10％，Ti0.10-0.15％，B0.008-0.015％，S≤0.040％，P≤0.070％，余量为Fe，开浇温度为1580-1630℃，浇注完成后缓冷到室温脱模；(2)铰刀齿浇注脱模后首先进行整体退火，所述整体退火步骤如下：控制加热温度在300℃以下为50-70℃/小时，300℃以上为120-150℃/小时，在980-1050℃保温2-4小时，以70-90℃/小时炉冷至700-800℃保温2-3小时，然后炉冷到400℃取出空冷至室温；(3)然后经机加工切除浇冒口后进行整体淬火，所述整体淬火步骤如下：控制加热温度在300℃以下为50-70℃/小时，300℃以上为120-150℃/小时，加热到930-950℃，保温2-3小时后，由炉中取出空冷待5-10秒，放入恒温300-400℃的硝酸盐溶液中进行淬火，保温2-3小时取出空冷至室温；(4)再以40-50℃/小时加热到240-300℃进行铰刀齿整体回火处理，保温40-60分钟后，取出空冷至室温；
二、齿尖表面感应加热淬火：取以上所述整体热处理后的铰刀齿再利用高频感应加热装置对齿尖进行表面感应加热淬火，感应加热温度为860-910℃，感应加热时间为10-20秒，然后使用盐水淬火到室温，再将齿尖放入恒温160-200℃的硝酸盐溶液中进行回火处理，保温20-40分钟后，取出空冷至室温，即得疏浚挖泥船铰刀齿。
2.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨铰刀齿的热处理方法，其特征在于所述硝酸盐溶液成分按重量比为55％NaNO3和45％KNO3。
3.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨铰刀齿的热处理方法，其特征在于所述盐水的质量浓度为15％。
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