CN104120364A

CN104120364A - 一种采煤机摇臂用合金调质铸钢及其制备方法

Info

Publication number: CN104120364A
Application number: CN201410404907.4A
Authority: CN
Inventors: 王维发; 王培科; 阎雪侠; 王先龙; 王星
Original assignee: Xian Coal Mining Machinery Co Ltd
Current assignee: Huzhou Zhonglian Machinery Equipment Co., Ltd.; Xian Coal Mining Machinery Co Ltd
Priority date: 2014-08-16
Filing date: 2014-08-16
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2034-08-16
Also published as: CN104120364B

Abstract

本发明提供了一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，由以下质量百分比的成分组成：C0.22％～0.28％，Si0.20％～0.40％，Mn1.20％～1.50％，Cr0.70％～0.95％，Ni0.80％～1.00％，Mo0.30～0.55％，Al0.03％～0.06％，V0.10％～0.15％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ce0.03％～0.04％，余量为Fe。本发明还提供了一种制备该铸钢的方法。本发明采煤机摇臂用合金调质铸钢的强硬度高，冲击韧性优良，碳当量较低，生产成本低，更能符合采煤机大型摇臂用钢的需要。

Description

一种采煤机摇臂用合金调质铸钢及其制备方法

技术领域

本发明属于铸钢材料技术领域，具体涉及一种采煤机摇臂用合金调质铸钢及其制备方法。

背景技术

采煤机摇臂是采煤机截割煤炭的关键部件，其质量及可靠性直接决定整个机组的工作效率。采煤机摇臂故障主要是摇臂壳体磨损、断裂、安装孔变形磨损及齿轮、轴承损坏。摇臂体积大、重量重、强度及硬度低引起的故障是降低采煤机摇臂的可靠性的主要因素。部分采煤机的摇臂平均30天要发生1次机械事故。如张集矿使用的某厂MG800/1880-WD采煤机在半年时间内换了7个摇臂。目前采煤机摇臂结构庞大而且比较重，结构的增大使摇臂自身的重量增加，而摇臂重量的增加不仅使行走部承受更大的载荷，而且也严重影响整机的稳定性。采煤机摇臂壳体选用强度高、硬度高的材料，可以通过减小摇臂外形尺寸和壳体壁厚，减轻摇臂壳体自身重量，降低整机和行走部载荷，重点加强齿轮和轴承的强度，并且提高摇臂壳体的耐磨性能，减少维修次数，提高采煤机的使用寿命。

采煤机摇臂必须经过铸造成形，不能通过控制冷却及常规热处理强化途径来实现强韧化，对于铸钢通常要求保证较高强度时还需要优良的塑性韧性及焊接性能，这就要求铸钢的含碳量低合金元素少，而低的含碳量及合金元素通常会导致铸钢的强度降低，而高的含碳量和合金元素通常会导致铸钢的塑性韧性及焊接性能降低，这是铸钢成分设计及其生产所克服的一个主要困难。

目前采煤机摇臂和牵引部壳体材料普遍采用的传统铸钢是ZG25Mn(合金成分C0.20～0.30％，Si0.30～0.45％，Mn1.10～1.30％，S≤0.030％，P≤0.030％，余量为Fe)、ZG25Mn2(合金成分C0.20～0.30％，Si0.30～0.45％，Mn1.70～1.90％，S≤0.030％，P≤0.030％，余量为Fe)或ZG25MnNi(合金成分C0.252％，Si0.92％，Mn0.872％，S≤0.050％，P≤0.050％，Mo0.152％，Ni0.273％，余量为Fe)。此类铸钢的低焊接裂纹敏感性指数(Pcm)低，焊接风险相对小，但其强度硬度低，HBW150～170，韧性和抗冲击性较差，耐磨性较差，严重影响采煤机摇臂的使用寿命和可靠性。

中国专利CN102345072A公开了一种采煤机摇臂用高强度铸钢及其热处理工艺，包括如下质量份的化学成分C0.30～0.37％，Si0.45～0.60％，Mn0.90～1.10％，Cr1.40～1.60％，Ni1.40～1.60％，Mo0.20～0.30％，P≤0.020％，S≤0.020％，余量为Fe。产品力学抗拉强度达到804～902MPa，同时耐磨性好，表面硬度达到HB260～285。但是，该铸钢存在焊接性能极差的技术缺陷，并且其工艺控制过程复杂，生产成本高。

中国专利CN102517516A提供了一种高冲击功铸钢，其合金成分为：C0.18～0.22％，Si0.20～0.50％，Mn1.20～1.50％，Cr0.30～0.60％，Ni0.60～0.90％，Mo0.15～0.30％，V0.05～0.08％，Ti0.03～0.05％，Ce0.01～0.02％，余量为Fe。特别适用于采煤机械中刮板输送机上销排座关键部件上使用，具备高冲击功，其所述铸钢的所述铸钢抗拉强度为930～1080MPa，屈服强度≥830MPa，延伸率≥9％，冲击功≥50J，硬度为292～337HB。但是，该铸钢存在塑性低，焊接性能差的技术缺陷，并且其制备工艺复杂，生产成本高。

近几年来，尚未发现兼备高强度、高硬度、良好的冲击韧性、塑性及焊接性能的高强韧性铸钢应用在大型采煤机摇臂壳体上，而随着我国煤炭能源需求的快速发展，开发研制大采高、高性能采煤机，并实现高产、高效、长时少人、短时无人的数字化、智能化采煤，对这类高性能的铸钢摇臂需求用量越来越大。由于其综合性能要求较高，故目前国内尚没有合适的替代铸钢材料，而引进国外同类性能的铸钢的价格十分昂贵。为此，自主研发一种采煤机摇臂用合金调质铸钢是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种强硬度高、冲击韧性优良、碳当量低、生产成本低的采煤机摇臂用合金调质铸钢。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.22％～0.28％，Si0.20％～0.40％，Mn1.20％～1.50％，Cr0.70％～0.95％，Ni0.80％～1.00％，Mo0.30～0.55％，Al0.03％～0.06％，V0.10％～0.15％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ce0.03％～0.04％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.26％，Si0.38％，S0.005％，P0.011％，Mn1.50％，Cr0.72％，Ni0.95％，Mo0.55％，Al0.04％，V0.11％，Ce0.040％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.22％，Si0.40％，S0.005％，P0.012％，Mn1.35％，Cr0.80％，Ni0.80％，Mo0.40％，Al0.05％，V0.10％，Ce0.038％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.25％，Si0.20％，S0.010％，P0.010％，Mn1.30％，Cr0.95％，Ni1.00％，Mo0.30％，Al0.06％，V0.12％，Ce0.030％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.28％，Si0.30％，S0.003％，P0.015％，Mn1.20％，Cr0.70％，Ni0.92％，Mo0.40％，Al0.03％，V0.15％，Ce0.032％，余量为Fe。

另外，本发明还提供了一种制备上述采煤机摇臂用合金调质铸钢的方法，其特征在于，该方法为：按照所要制备的采煤机摇臂用合金调质铸钢的成分设计要求进行配料，经电弧熔炼后进行精炼处理，然后依次进行均匀化退火处理、正火处理、调质处理和时效处理，得到采煤机摇臂用合金调质铸钢；所述均匀化退火处理的具体过程为：在温度为910℃～930℃的加热炉中保温4h～5h后炉冷，所述正火处理的具体过程为：在温度为900℃～920℃的加热炉中保温3h～4h后风冷，所述调质处理的具体过程为：先在温度为870℃～890℃的加热炉中保温3h～4h后置于淬火油中冷却至25℃室温，再在温度为610℃～630℃的加热炉中保温4h～5h后炉冷，所述时效处理的具体过程为：在温度为500℃～550℃的加热炉中保温3h～4h后空冷。

本发明在铸钢成分方面的技术改进为：本发明根据高产、高效、大采高采煤机的性能要求进行自主创新优化设计，以保证各项机械性能及焊接性能达到或超过国外同类采煤机的水平。根据高产、高效、大采高和大功率采煤机的使用要求，该铸钢应具有较高的强度、硬度、良好的冲击韧性和塑性及良好的焊接性能。因此，其设计的原则是在0.22wt％～0.28wt％的碳含量条件下，通过多元素合金化和最佳热处理，发挥固溶强化、马氏体组织强化、从马氏体析出弥散分布的微合金碳氮化合物时效强化、晶粒细化等优势，在保证强硬度及韧性塑性的前提下，还保证良好的焊接性和加工性能。由于碳含量相对较低，因而可以保证铸钢优良的冲击韧性和塑性及良好的焊接性能；适量的硅钼含量有助于产生固溶强化，含量过低将降低固溶强化的效果，更会极大影响其它微量合金元素的综合强化作用，含量过高则会降低冲击韧性和塑性及良好的焊接性能；铬(Cr)在铸钢中能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。镍(Ni)能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。钼(Mo)能使铸钢的晶粒细化，能提高机械性能。同时铬(Cr)和钼(Mo)又能与铸钢中的碳、氮原子形成弥散分布的微合金碳氮化合物，起到良好的时效强化作用。稀土元素铈(Ce)能够起到微合金、减轻钢中磷、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素相的作用，并且能够发挥脱硫、脱氧和变性夹杂、弥散硬化作用。在铸钢中同时加入少量铬、镍、钼和稀土元素，其综合作用远远大于单独作用之和。铝(Al)和钒(V)能阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。

本发明在铸钢热处理方面的技术改进为：为充分发挥采煤机摇臂用铸钢的性能潜力，寻求最佳热处理工艺方案是关键，其基本方式包括：均匀化退火处理、正火处理、调质处理和时效处理。

均匀化退火处理：对于大型采煤机摇臂用合金调质铸钢，高温均匀化退火处理的目的是为了消除铸态组织和宏观偏析，微观偏析，使铸件成分均匀化细化晶粒，消除铸造应力，本发明采用高温均匀化退火工艺为：910℃～930℃保温4h～5h炉冷热处理。

正火处理：其目的是进一步消除铸造应力，增加珠光体数量，组织均匀化和晶粒细化，并使一定数量的强碳氮化合物元素溶入到均匀细致的铁素体中，本发明采用高温正火工艺为：900℃～920℃保温3h～4h风冷热处理。

调质处理：其目的使其全部转变为高强度、高硬度的亚中钢马氏体，并固溶大量的合金元素及碳氮化合物，同时产生固溶强化、相变强化、时效强化，为高温回火时做好组织准备。高温回火后其组织转变为均匀的回火索氏体，其综合机械良好，即具有较高的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性相配合。本发明采用调质处理的具体过程为：先在温度为870℃～890℃的加热炉中保温3h～4h后浸入淬火油中冷却到25℃室温，再在610℃～630℃的加热炉中保温4h～5h后炉冷。

时效处理：其目的主要是进一步消除粗加工后各种焊接应力和加工残余应力，通过逐步试验，确定最佳的时效处理工艺元素。本发明采用时效处理工艺为：500℃～550℃保温3h～4h后空冷处理。

经过对上述四种热处理工艺的参数进行优化试验，即选出能使铸钢获得高的强硬度和优良的冲击韧性、低的碳当量和低的合金成本的最佳热处理参数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提供了一种大型采煤机摇臂用合金调质铸钢，该铸钢具有高的强硬度、优良的冲击韧性、低的碳当量和低的合金成本。

2、本发明通过对铸钢的化学成分进行配方筛选和优化，并且对铸钢寻求最佳热处理工艺，最终获得强硬度高、冲击韧性优良、碳当量低、合金成本低的合金调质铸钢，更能符合采煤机大型摇臂用钢的需要。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的采煤机摇臂用合金调质铸钢的金相组织图。

图2为本发明实施例2制备的采煤机摇臂用合金调质铸钢的金相组织图。

图3为本发明实施例3制备的采煤机摇臂用合金调质铸钢的金相组织图。

图4为本发明实施例4制备的采煤机摇臂用合金调质铸钢的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例铸钢由以下质量百分比的成分组成：C0.26％，Si0.38％，S0.005％，P0.011％，Mn1.5％，Cr0.72％，Ni0.95％，Mo0.55％，Al0.04％，V0.11％，Ce0.040％，余量为Fe。

本实施例铸钢的制备方法为：按照采煤机摇臂用合金调质铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为920℃的加热炉中保温4.5h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为910℃的加热炉中保温3.5h后风冷进行正火处理、在880℃的加热炉中保温4h后在20号淬火油中冷却到25℃室温，然后立即在620℃的加热炉中保温4h后炉冷的调质处理。在温度为520℃的加热炉中保温3.5h后空冷进行时效处理，得到合金调质处理的采煤机摇臂用铸钢。

本实施例铸钢的金相组织如图1所示，由图1可知该铸钢为“回火索氏体”结构，组织均匀致密。本实施例铸钢的性能测试数据见表1。

实施例2

本实施例铸钢由以下质量百分比的成分组成：C0.22％，Si0.40％，S0.005％，P0.012％，Mn1.35％，Cr0.80％，Ni0.80％，Mo0.40％，Al0.05％，V0.1％，Ce0.038％，余量为Fe。

本实施例铸钢的制备方法为：按照采煤机摇臂用合金调质铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为910℃的加热炉中保温5h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为900℃的加热炉中保温4h后风冷进行正火处理、在890℃的加热炉中保温3h后在20号淬火油中冷却到25℃室温，然后立即在610℃的加热炉中保温5h后炉冷的调质处理。在温度为500℃的加热炉中保温4h后空冷进行时效处理，得到合金调质处理的采煤机摇臂用铸钢。

本实施例铸钢的金相组织如图2所示，由图2可知该铸钢为“回火索氏体”结构，组织均匀致密。本实施例铸钢的性能测试数据见表1。

实施例3

本实施例铸钢由以下质量百分比的成分组成：C0.25％，Si0.2％，S0.010％，P0.010％，Mn1.30％，Cr0.95％，Ni1.00％，Mo0.30％，Al0.06％，V0.12％，Ce0.030％，余量为Fe。

本实施例铸钢的制备方法为：按照采煤机摇臂用合金调质铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为930℃的加热炉中保温4h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为920℃的加热炉中保温3h后风冷进行正火处理、在870℃的加热炉中保温3h后在20号淬火油中冷却到25℃室温，然后立即在630℃的加热炉中保温4h后炉冷的调质处理。在温度为550℃的加热炉中保温3h后空冷进行时效处理，得到合金调质处理的采煤机摇臂用铸钢。

本实施例铸钢的金相组织如图3所示，由图3可知该铸钢为“回火索氏体”结构，组织均匀致密。本实施例铸钢的性能测试数据见表1。

实施例4

本实施例铸钢由以下质量百分比的成分组成：C0.28％，Si0.30％，S0.003％，P0.015％，Mn1.20％，Cr0.70％，Ni0.92％，Mo0.40％，Al0.03％，V0.15％，Ce0.032％，余量为Fe。

本实施例铸钢的制备方法为：按照采煤机摇臂用合金调质铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为920℃的加热炉中保温4.5h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为910℃的加热炉中保温3.5h后风冷进行正火处理、在880℃的加热炉中保温4h后在20号淬火油中冷却到25℃室温，然后立即在610℃的加热炉中保温4.5h后炉冷的调质处理。在温度为530℃的加热炉中保温3.5h后空冷进行时效处理，得到合金调质处理的采煤机摇臂用铸钢。

本实施例铸钢的金相组织如图4所示，由图4可知该铸钢为“回火索氏体”结构，组织均匀致密。本实施例铸钢的性能测试数据见表1。

对比例1

本对比例铸钢与实施例1的不同之处仅在于：不含Ce。本对比例铸钢的制备方法与实施例1相同，其性能测试数据见表1。

表1 采煤机摇臂用合金调质铸钢的性能测试数据

表1中各符号分别表示：Cel—屈服强度，Rm—抗拉强度，A—延伸率，Z—断面收缩率，HB—布氏硬度，a_KU—冲击韧性。

由表1可知，本发明合金调质铸钢具有高强度、高硬度、良好的冲击韧性、塑性及焊接性能。采用本发明铸钢的成分设计及其对应的热处理工艺，能获得高的强硬度和优良的冲击韧性、低的碳当量和低的合金成本的摇臂铸件，更能符合采煤机的需要。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.22％～0.28％，Si0.20％～0.40％，Mn1.20％～1.50％，Cr0.70％～0.95％，Ni0.80％～1.00％，Mo0.30～0.55％，Al0.03％～0.06％，V0.10％～0.15％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ce0.03％～0.04％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.26％，Si0.38％，Mn1.50％，Cr0.72％，Ni0.95％，Mo0.55％，Al0.04％，V0.11％，P0.011％，S0.005％，Ce0.040％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.22％，Si0.40％，Mn1.35％，Cr0.80％，Ni0.80％，Mo0.40％，Al0.05％，V0.10％，P0.012％，S0.005％，Ce0.038％，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.25％，Si0.20％，Mn1.30％，Cr0.95％，Ni1.00％，Mo0.30％，Al0.06％，V0.12％，P0.010％，S0.010％，Ce0.030％，余量为Fe。

5.根据权利要求1所述的一种采煤机摇臂用合金调质铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.28％，Si0.30％，Mn1.20％，Cr0.70％，Ni0.92％，Mo0.40％，Al0.03％，V0.15％，P0.015％，S0.003％，Ce0.032％，余量为Fe。

6.一种制备如权利要求1至5中任一项权利要求所述采煤机摇臂用合金调质铸钢的方法，其特征在于，该方法为：按照所要制备的采煤机摇臂用合金调质铸钢的成分设计要求进行配料，经电弧熔炼后进行精炼处理，然后依次进行均匀化退火处理、正火处理、调质处理和时效处理，得到采煤机摇臂用合金调质铸钢；所述均匀化退火处理的具体过程为：在温度为910℃～930℃的加热炉中保温4h～5h后炉冷，所述正火处理的具体过程为：在温度为900℃～920℃的加热炉中保温3h～4h后风冷，所述调质处理的具体过程为：先在温度为870℃～890℃的加热炉中保温3h～4h后置于淬火油中冷却至25℃室温，再在温度为610℃～630℃的加热炉中保温4h～5h后炉冷，所述时效处理的具体过程为：在温度为500℃～550℃的加热炉中保温3h～4h后空冷。