CN104109803A - 高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法，化学成分的质量百分数如下：C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%,P：≤0.030%，其余参与元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，V：0.04～0.08%，Ti：0.03～0.06%，Nb：0.005～0.03%，其余含量为Fe。优点：一是通过降低三大主体元素的含量来消除主题元素对材料性能的制约，充分利用微合金元素来弥补三大主体元素含量下降带来的性能的下降；二是利用微合金元素对调质热处理淬火过程的影响，调整热处理工艺参数增加材料的淬透性，从而扩大材料表面细晶粒区及柱状晶区的范围，提高了材料的内部性能；三是实现了材料的一体化，工作平稳性好，延长了产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够解决轮斗挖掘机返回塔铸件在铸造成型过程中材料内部性能下降和低温冲击韧性差的高淬透性、低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法，属铸钢材料制造领域。
背景技术
传统的SRs2000轮斗挖掘机装配用零部件为了满足工作性能需要和保障结构的安全，在结构设计上往往采用保守设计，增大结构尺寸与重量来保证材料的强度。其中的起主支撑作用的返回塔部件为了满足结构设计要求，往往采用返回塔塔体铸件和传动轴锻件通过键的装配来满足结构工作要求，具体结构形状见图3。一是由于传动采用的是键联接，因此工作的平稳性很难得到保障，同时对于外部环境的适应性也很差，很难做到在不同的作业环境中，使结构处于良好的工作状态；二是传统的轮斗挖掘机材料采用的是标准为BS EN10293中的GE300铸钢材料，往往受强度性能的影响，在抗低温冲击韧性方面相对较差，很难适应作业环境的要求，其GE300化学成分(质量分数)和标准试样力学性能如下：
C：0.25～0.35%，Si: 0.60～0.80%，Mn:1.20～1.50%,S:≤0.030%,P:≤0.030%,Cr: ≤0.30%, Ni: ≤0.40%，Mo: ≤0.15%,Cu: ≤0.25%
力学性能：Rp0.2≥300N/㎜2，Rm: ≥600N/㎜2,A5%≥16%,Ψ≥30%,AKv≥30J(20℃)。性能测试标准试样为U型试块，试验试样规格为一个￠14mm×150mm拉伸试样和三个10mm×10mm×55mm冲击试样，具体形状尺寸见图4。
发明内容
设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种能够解决轮斗挖掘机返回塔在铸造成型过程中材料内部性能下降和低温冲击韧性差的高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法。
设计方案：为了实现上述设计目的。本申请的关键在于解决采用整体铸钢材料铸造成型代替键联接结构件结构，如何保证铸钢件材料的整体性能满足设计要求的问题，其解决这一问题采用的技术方案是：一是通过降低三大主体元素的含量来减小对材料冲击性能的负面影响，并通过添加微合金元素来弥补三大主体元素含量降低带来的强度性能下降的问题，并且通过添加微合金元素来改变钢液结晶的过程，使金属的结晶更有利于获得细小晶粒，从而提高材料的强度和韧性；二是根据调整后的组分构成，并结合合金元素对热处理的影响，对调质热处理的工艺参数也进行调整，大大加深了调质热处理的淬火深度，提高了材料的内部性能。
1、本申请在结构设计上，对轮斗挖掘机部件结构在使用中存在的缺陷进行了新的改进设计，新结构采用铸钢整体铸造代替了返回塔塔体铸件和轴锻件键联接结构，同时为了满足铸造的工艺性，将原来轴锻件部分采用中空设计，其铸钢整体铸造结构如图1。
2、为了保证结构的工作性能要求，选用的铸钢材料必须保证结构部件内性能也能达到设计要求，并且要求能适应零下20℃的工作环境。根据结构工作性能的要求，对选用的铸钢材料力学性能提出了如下的技术指标和测试要求：a.力学性能指标：Rp0.2≥300N/㎜2，Rm: ≥600N/㎜2,A5%≥18%,Ψ≥30%,AKv≥31J(-20℃)；b.力学性能测试要求：为了保证产品内部性能，测试用试样从140mm×140mm×300mm试块中选取，选取位置为表面向内35mm为试样中心，具体形状尺寸见图2。
3、技术难点分析：
用传统化学组分构成的GE300浇注的140mm×140mm×300mm试块，通过调质热处理后进行力学性能试验，分别对试块表面、距离表面向内15mm、距离表面向内35mm三个位置取样试验，所获得的力学性能值见图13。
从图13测试的结果可以看出，传统GE300材料在20℃常温试验温度下，随着距离表面深度的加深，强度性能和冲击韧性都明显下降，当距离表面深度达到35mm时，强度和冲击韧性都已经无法满足设计工作性能要求；而在-20℃的试验温度下，距离表面深度达到15mm时，冲击性能就已经不能满足设计要求。造成材料性能由表及里下降的主要原因在于：钢液在结晶凝固过程中，由于表面温度下降速率快于中间温度下降速率，造成中间部分奥氏体晶粒长大速度相对较快，因此由表及里晶粒的大小也呈现由细到粗的分布（见图5）。
从传统的化学成分构成来看，为了达到材料的强度性能要求，材料组分中的三大主体元素C、Si、Mn三大元素含量往往采用中低含量控制，以下是三大元素对钢性能的影响的分析：
（1）碳（C）元素对钢性能的影响（见图6、图8）：碳含量对强度的影响非常大，随着碳含量的增加，抗拉强度和硬度指标明显上升，塑性和韧性指标随之下降，铸件的低温韧性降低，韧性-脆性转变温度升高。碳含量的增加，还会增加钢的冷脆性和时效敏感性。
（2）硅（Si）元素对钢性能的影响（见图7、图9、图10）：硅对铁素体具有固溶强化的作用，能提高钢的屈服强度。虽然硅含量在0.60-0.80%时，对于晶粒的影响不大，对于冲击韧性的影响也较小，但是随着硅含量的增加，对于韧性-脆性转变温度的影响甚至比碳还大。
（3）锰（Mn）元素对钢性能的影响（见图7、图9）：锰能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响并提高钢的淬透性，在钢中可以起到强化作用，通过热处理使钢获得良好的强度、硬度和耐磨性。但是当锰含量超过1%时，由于在热处理加热过程中易产生奥氏体晶粒长大而使晶粒粗大，而造成铸件韧性下降，同时有过热敏性和回火脆性。
根据对传统的GE300化学成分构成进行分析，在高强度的性能下，很难获得较高的冲击韧性，尤其是在低温环境下和材料内部性能上，完全不能满足部件的设计工作性能要求。
4、铸造工艺方案和措施：由返回塔塔体铸件和轴锻件键联接结构代替整体采用铸钢材料整体铸造新结构，最根本就是解决传统GE300材料在铸造成型过程中材料内部性能下降和低温冲击韧性差的问题，而材料的综合机械性能主要取决于金属的组织晶粒度大小，要提高铸钢件的综合机械性能，就必须使铸件的凝固更有利于细化晶粒。也就是要扩大铸件的表面细晶粒区及柱状晶区的范围和缩小粗大等轴晶区的范围。
根据传统GE300材料的构成来看，现有的三大主体元素C、Si、Mn的组分构成很不利于晶粒的细化，尤其对低温冲击韧性的负影响很大。因此必须对材料组分构成进行调整，同时根据设计要求材料内部也必须保证较高的综合性能，主要从优化组分构成和提高铸件表面细晶粒区及柱状晶的范围两个方面来设计该铸件的生产工艺方案。
（1）从主体元素之一C元素对钢性能的影响分析来看（图5、图7），原来的含量（质量百分数）范围：0.25～0.35%不利于获得高的塑性和韧性，为了能保证获得较高的低温冲击韧性，C组分含量应小于0.25%（质量百分数）。
（2）从主体元素之二Si元素对钢性能的影响分析来看（图7、图9、图10），Si含量（质量百分数）的增加可以增加材料的强度性能，但是会降低材料的韧性。当Si含量（质量百分数）在0.25～0.40%范围内，可以降低钢的熔点，改善流动性，具有良好的脱氧作用，但是质量百分含量超过0.40%，易形成柱状晶，增加热裂倾向。
（3）从主体元素之三Mn元素对钢性能的影响分析来看（图7、图9）,Mn能提高钢的强度，但是当锰含量（质量百分数）超过1.00%，会降低材料的冲击韧性和提高低温脆性-韧性转变温度。在炼钢过程中，由于锰可以与硫形成高熔点（1600℃）的MnS，一定程度上消除了硫的有害作用，同时具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢液的质量，降低钢的脆性。作为优质碳素钢，锰的含量一般不低于0.50～0.80%（质量百分数）。
本申请根据对元素对材料性能的影响分析可以得出，三大主体元素的控制范围如下:C：0.20～0.25%，Si:0.25～0.40%,Mn:0.50～0.80%。
调整后三大主体元素的组分构成，在提高材料的冲击韧性上起到了积极的作用，但是调整后的组分构成降低了材料的强度性能。根据调整的组分构成，材料的强度性能等级只能达到屈服强度在200～250MPa，抗拉强度在：400～500MPa，同时由于三大主体元素含量的下降，也不利于获得高淬透性致密组织。
金属材料的力学性能主要取决与组织晶粒度的大小，因此控制和改变结晶过程，使结晶过程更有利于细化晶粒，才能达到获得高的综合力学性能的目的。
由于该材料组分的构成属于低合金结构钢，因此采用低合金钢微合金化的方法，可以到达细化晶粒，提高材料的综合力学性能的目的。
5、微合金原理和措施
a.微合金原理：低合金钢的微合金化主要是通过添加少量Nb、V、Ti等微合金元素，打破传统的结晶方式，通过晶粒细化和析出强化对钢进行强韧化处理，来改善低合金钢的性能。 当在低合金钢中加入Nb、V、Ti等微合金元素时，可以在钢中形成细小的碳化物和氮化物，其质点钉扎在晶界处，在结晶过程中阻止奥氏体晶粒的长大，同时在再结晶过程中阻止形变奥氏体晶粒的长大。
b.微合金措施：Nb原子比Fe原子尺寸大，易在位错上线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使结晶形核受到抑制。Nb在钢中以置换溶质原子存在，形成NbC或NbN等间隙中间相，在再结晶过程中，因NbC或NbN对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用，从而大大增加了再结晶的时间。
一般钢中Nb的加入量在0.05%（质量百分数）以下，高于0.05%（质量百分数）的Nb对强韧化的贡献将不再明显。在低浓度的Nb含量下，钢的屈服强度和抗拉强度增长较快，并且和含量成正比，但当Nb含量大于0.03（质量百分数）时，强化效果就开始降低。
在高于临界温度时，Nb元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制，而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制。Nb的完全固溶度温度较高，在均热温度不是很高时Nb不宜单独加入，可以和V一起进行复合添加。
V在钢中具有较高的溶解度，可以与钢中的C、N结合，在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性。钢中加入V后，强度可以增加150～300MPa，钢中的V的加入量一般在0.04%～0.12%（质量百分数）之间，超过0.20%，形成V4C3碳化物，会提高钢的热强性。
V对钢的淬透性有重要影响，当钢被加热到临界温度时，V溶于最初形成奥氏体的高碳区，从而增加了钢的淬透性。
Ti是钢中强脱氧剂，是强碳化物形成元素，和N、O、C都有极强的亲和力，同时Ti和S具有较强的亲和力，甚至强于Fe和S的亲和力，因此在含Ti的钢中优先生成硫化钛，降低了硫化铁生成的几率，可以减少钢的热脆性。Ti与C形成的碳化物结合力极强和稳定，只有当加热温度超过1000℃以上时，才开始缓慢地溶入固溶体中，在未溶入前，TiC微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用。Ti还能与Fe和C生成难溶的碳化物质点，富集于钢的晶界处，阻止钢的晶粒粗化。Ti还能溶于γ和α相中，形成固溶体，使钢强化。在钢液凝固过程中，弥散分布的大量TiC颗粒，可以成为钢液凝固时的固体晶核，加剧形核的速度，更加利于结晶和细化晶粒。另外Ti也能与N结合生成稳定的高弥散化合物，减慢珠光体向奥氏体转变的过程。含有微量的Ti的钢，在低于900℃正火时，能提高钢的屈服点及屈强比，同时不降低钢的塑性。
一般钢中Ti的加入量应大于0.025%（质量百分数），但是当钢中Ti/C比高于4时，钢的强度及韧性都急剧下降。
根据三种微合金元素对钢影响的分析同时结合三大主体元素的要求，经微合金化和优化后的化学成分（质量百分数）控制范围如下：
C：0.20～0.25%，Si:0.25～0.40%，Mn:0.50～0.80%，S:≤0.030%，P:≤0.030%，其余参与元素Cr: ≤0.30%,Mo: ≤0.15%，Ni: ≤0.40%,V：0.04～0.08%，Ti: 0.03～0.06%，Nb: 0.005～0.03%,其余含量为Fe。
6、高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料的制作方法，（1）返回塔整体铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，然后将铸件毛坯连同冒口一起进炉进行去应力预细化正火处理；按常规的热处理要求，正火温度为890±10℃，保温6小时出炉空冷；（2）返回塔整体铸件热处理保温结束，铸件冷却到400～450℃进行热割冒口，热割冒口后，立刻进炉子利用预热进行去除切割应力回火；（3）待返回塔整体铸件冷却到常温进行粗加工，按图纸精加工尺寸单边预留3～5mm调质余量；（4）粗加工结束，进行最终调质热处理，根据预细化正火热处理结果及微合金元素对最终热处理的有关要求，调质热处理的具体参数如下：随炉温升温至650±10℃，保温3小时后，继续升温至870±10℃，再保温6小时，然后进行油淬后；油淬后再次继续升温至670±10℃，保温9小时，最后进行水冷即可，见图11。
本发明与背景技术相比，一是通过降低三大主体元素的含量来消除主题元素对材料性能的制约，并充分利用微合金元素来弥补三大主体元素含量下降带来的性能的下降；二是利用微合金元素对调质热处理淬火过程的影响，调整热处理工艺参数增加材料的淬透性，从而扩大材料表面细晶粒区及柱状晶区的范围，达到提高了材料内部性能的目的；三是由于实现了材料的一体化，产品克服了由于装配问题带来的工作的平稳性，延长了产品的使用寿命，提高了工作效率，因此具有极其可观的经济效益和发展前景；四是本申请所制的轮斗挖掘机返回塔整体铸件能够适应设计生产能力为6600吨/小时，总重3100多吨，臂长44米，最大采掘高度30米的轮斗挖掘机，能适应不同地区的作业环境。
附图说明
图1-1是返回塔整体铸件的剖视结构示意图。
图1-2是返回塔整体铸件的端面结构示意图。
图2-1是新设计试块尺寸及取样位置分布主视示意图。
图2-2是图2-1的侧视示意图。
图3-1是返回塔铸件和传动轴键剖视装配示意图。
图3-2是返回塔铸件和传动轴键装配后端面示意图。
图4-1是标准试块及试样分布侧视示意图。
图4-2是标准试块及试样分布主视示意图。
图5是铸件断面的宏观组织示意图，其中1-表面细晶粒区 2-柱状晶区 3.粗大等轴晶区。
图6是含碳量对钢机械性能的影响的曲线示意图。
图7是硅、锰含量对钢强度性能的影响曲线示意图。
图8是含碳量与韧性-脆性转变温度关系曲线示意图。
图9是硅、锰含量对钢韧性的影响关系曲线示意图。
图10是硅含量与韧性-脆性转变温度关系曲线示意图。
图11是调质热处理的具体参数曲线示意图。
图12是返回塔整体铸件按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体图。
图13是GE300材料不同位置的力学性能值。
图14是化学成分（%）(质量分数)（其余含量为Fe）。
图15是GE300优化材料不同位置的力学性能值。
具体实施方式
实施例1：一种高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料，化学成分的质量百分数控制范围如下：C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%, P：≤0.030%，其余参与元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，V：0.04～0.08%，Ti： 0.03～0.06%，Nb： 0.005～0.03%，其余含量为Fe。
实施例2：参照附图3至12。一种高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料的制作方法，（1）返回塔整体铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，然后将铸件毛坯连同冒口一起进炉进行去应力预细化正火处理；按常规的热处理要求，正火温度为890±10℃，保温6小时出炉空冷；（2）返回塔整体铸件热处理保温结束，铸件冷却到400～450℃进行热割冒口，热割冒口后，立刻进炉子利用余热进行去除切割应力回火；（3）待返回塔整体铸件冷却到常温进行粗加工，按图纸精加工尺寸单边预留3～5mm调质余量；（4）粗加工结束，进行最终调质热处理，根据与细化正火热处理结果及微合金元素对最终热处理的有关要求，调质热处理的具体参数如下：随炉温升温至650±10℃，保温3小时后，继续升温至870±10℃，再保温6小时，然后进行油淬后；油淬后再次继续升温至670±10℃，保温9小时，最后进行水冷即可。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种高淬透性、低温高韧性返回塔整体铸件材料，其特征是化学成分的质量百分数控制范围如下：
C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%, P：≤0.030%，V：0.04～0.08%，Ti： 0.03～0.06%，Nb： 0.005～0.03%，其余残余元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，其余含量为Fe。
2.根据权利要求1所述的高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料，其特征是： 。
3.一种高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料的制作方法，其特征是：
（1）返回塔整体铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，然后将铸件毛坯连同冒口一起进炉进行去应力预细化正火处理；按常规的热处理要求，正火温度为890±10℃，保温6小时出炉空冷；
（2）返回塔整体铸件热处理保温结束，铸件冷却到400～450℃进行热割冒口，热割冒口后，立刻进炉子利用预热进行去除切割应力回火；
（3）待返回塔整体铸件冷却到常温进行粗加工，按图纸精加工尺寸单边预留3～5mm调质余量；
（4）粗加工结束，进行最终调质热处理，根据预细化正火热处理结果及微合金元素对最终热处理的有关要求，调质热处理的具体参数如下：
随炉温升温至650±10℃，保温3小时后，继续升温至870±10℃，再保温6小时，然后进行油淬后；
油淬后再次继续升温至670±10℃，保温9小时，最后进行水冷即可。
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