CN105714202A

CN105714202A - 一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法

Info

Publication number: CN105714202A
Application number: CN201610195525.4A
Authority: CN
Inventors: 马进; 杨建�; 郭小强
Original assignee: Kocel Steel Foundry Co Ltd
Current assignee: Kocel Steel Foundry Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: CN105714202B

Abstract

本发明涉及铸造技术领域内一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，铸钢件材料包括如下质量组份的各元素,C%：0.23~0.27、Si%：0.25~0.40、Mn%：1.00~1.20、P%≤0.015、S%≤0.010、Cr%：0.5~0.6、Mo%：0.30~0.4、Ni%：0.6~0.9，其中,残余元素Sn≤0.030%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，As≤0.03%，余量为铁和不可避免的杂质；所述铸钢件材料的碳当量Ceq=0.61~0.75，所述铸钢件材料冶炼时采用EAF电炉熔炼、LF钢包精炼+真空脱气VOD熔炼工艺使出钢水前钢水中的氧活性≤10ppm，H含量＜2ppm；将熔炼后成分符合要求的钢水进行浇注，浇注后的铸钢件升温至840~880℃后进行淬火处理，然后再升温至600~640℃进行回火处理。本发明的方法，可以满足该类铸件的高强度、高塑韧性，且变形小不易不开裂的要求。

Description

一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法。

背景技术

采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，在高冲击的恶劣环境下工作，长时间受到矿石的冲击，因此对与其配套的铸钢件产品，质量要求较高，一般要求铸件100%进行磁粉探伤（MT）和超声波探伤(UT)检测，铸件表面不允许有线型缺陷、缩松、冷疤、裂纹等。对机械性能及内部组织要求非常高，尤其是高端综采区的设备铸件。如果采煤机在工作中出现故障将会导致整个采煤工作的中断，造成经济损失。

这种高性能采煤机产品，除了材料选用要合理外，重点就是如何通过合适的热处理工艺，将材料自身的性能发挥到最大，而作为铸件产品，则还需要同时兼顾铸件不开裂，不变形。本发明所涉及的产品铸件轮廓尺寸最大为3500×1200×1100mm，壁厚最薄320mm,最厚200mm,多有腔体和筋板平面，壁厚比变化大，R角小。铸件材料的常温力学性能要求抗拉强度≥850MPa，屈服强度≥700MPa，延伸率≥15%，断面收缩率≥40%，布氏硬度260~300HB，金属夏比U型缺口冲击功≥40J。从常温力学性能来看，要求铸件具备高强度的同时必须具有较好的塑韧性。另外还有高的抗疲劳性这一潜在性能要求。

该类型铸件在以往生产中，采用传统的正火风冷的方式，因为从铸件高温状态风冷到低温状态，冷却速度相对缓慢柔和，所以铸件应力相对较小。因而铸件变形小也不易发生开裂，但力学性能中强度和硬度较低，达不到目前的高强度要求。如果采用淬火，一般传统淬火介质选用水或者油，采用水淬，各项力学性能指标能达到要求，但铸件变形大且易开裂；采用油淬，铸件变形相对水淬要小些，也不易开裂，但油淬后铸件的强度和硬度偏下限，易发生力学性能不符合的情况，另外，采用油淬，油烟大，且容易着火，环境污染大，淬火后的铸件回火前还需要清洗等，增加额外的生产成本。

发明内容

本发明针对现有技术中采煤机械用高强度铸钢件的使用及性能要求，提供一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，以满足该类铸件的高强度、高塑韧性，且变形小不易不开裂的要求。

本发明的目的是这样实现的，一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法,铸钢件材料包括如下质量组份的各元素,C%：0.23~0.27、Si%：0.25~0.40、Mn%：1.00~1.20、P%≤0.015、S%≤0.010、Cr%：0.5~0.6、Mo%：0.30~0.4、Ni%：0.6~0.9，其中,残余元素Sn≤0.030%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，As≤0.03%，余量为铁和不可避免的杂质；所述铸钢件材料的碳当量Ceq=0.61~0.75，所述铸钢件材料冶炼时采用EAF电炉熔炼、LF钢包精炼+真空脱气VOD熔炼工艺使出钢水前钢水中的氧活性≤10ppm，H含量＜2ppm；将熔炼后成分符合要求的钢水进行浇注，浇注后的铸钢件升温至840~880℃后进行淬火处理，然后再升温至600~640℃进行回火处理。

本发明的铸造生产方法，从合理控制铸件的材料成分入手，确立合适的化学成分控制范围及碳当量和较低的残余元素含量。钢水熔炼时,控制氧活性和氢含量,采淬火加高温回火相调配的热处理工艺，防止铸件淬火开裂的情况下，最终实现了铸件高强度，高塑韧性的力学性能。

为合理控制本发明铸件的材料成分，所述碳当量按Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，其中式中的元素符合代素百分含量。

为合理控制本发明铸件的材料成分，电弧炉EAF冶炼时，采用投料—熔化—吹氧—还原的熔炼工艺，投料时先在炉底加入钢水重量5.5—6.0%的石灰石，然后加入重量比为废钢50%、生铁20%、铬钼返回料30%进行熔炼，使出钢前C含量为0.23~0.25、%，S含量≤0.005%；在钢水温度大于1550℃时测量钢水氧活性，然后将钢水转入钢包精炼炉中，若氧活性＞10ppm，加入0.5~1kg/t钢铝粒和0.5~1kg/t硅钙进行还原，使氧活性≤10ppm，当钢水温度≥1550℃后，进行取样分析，并调整钢水中合金元素的含量，使其化学成分达到设计要求，同时控制钢水中S的百分含量小于0.03%；再将钢水转入真空脱气炉中进行VD冶炼，所述VD冶炼时，将炉内真空度抽至60Pa以下，并保持15—30min，使H含量小于2ppm。

为防止浇注时二次氧化，避免钢水中的氧含量超标，熔炼后的钢水进行浇注时，对浇注的浇包及铸件型腔采用吹氩气保护，具体为，在浇包的浇口四角底部设置氩气通入装置，浇注时铸件的型腔设置吹氩气装置，以防止钢液与空气接触氧化。

为保证铸钢件的机械性能，浇注后的铸钢件打箱后进行淬火处理工艺为：将铸钢件平整地装到热处理炉内，以65—75℃/h的升温速度，将铸件均匀升温至840~880℃，然后保温T1时间，保温时间T1按1min/mm*最大壁厚+1~3h计算得出，保温结束后，将铸件移出热处理炉，当铸件整体温度降至740~780℃时，将铸件浸入装有PAG淬火液的淬火槽中，铸件在淬火槽中持续冷却，待铸件最高温度降至200~250℃时，将铸件从淬火槽中吊出并在静止空气中继续自然冷却；当铸件温度降至100~150℃后再次移入热处理炉进行回火处理，进炉后以50—60℃/h的升温速度将铸件再次加热至600~640℃后保温T2时间，保温时间T2按照1~2min/mm*铸件最大壁厚+1~3h计算得出，保温结束后将铸件以50—60℃/h的速度随炉缓慢冷却至＜200℃时出炉，最后在空气中自然冷却。

为使铸钢件在热处理炉内受热均匀，所述热处理炉为自动控温的台式热处理炉，所述热处理炉内设有用于放置铸件的垫铁，所述铸件置于热处理炉前，平整的放置在一便于吊运的托盘上，并用楔铁将铸件底部与托盘之间的接触间隙填实，铸件及托盘吊运至热处理炉内垫铁上时，将垫铁与托盘之间的间隙也用楔铁填实。

为便于实现铸钢件淬火处理后速冷的要求，淬火处理过程中，铸件移入装有PAG淬火液的淬火槽内后，所述PAG淬火液的温度通过搅拌和循环冷却的方式保持在20—40℃。

本发明的上述采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法,从铸件的材料成分入手，确立合适的化学成分控制范围及碳当量，并采用先进的冶炼技术和控制手段，使残余元素含量较低。采用PAG淬火液替代传统风冷或者水冷或油冷，再加上合理的高温回火调配，从而在防止铸件淬火开裂的情况下，最终实现了铸件高强度，高塑韧性的力学性能。经过批量生产验证，力学性能中抗拉强度为900~1000MPa，屈服强度为750~850MPa，延伸率为17~21%，断面收缩率为45~54%，布氏硬度为260~300HB，金属夏比U型缺口冲击功为50~80J。同时铸件在热处理的过程中没有发生开裂和明显的变形。因此,采用本发明方法，简单易行，可操作性强，能实现采煤机械用高强度铸钢件批量生产，同时对其它同类材质铸件的生产也具有指导意义。

具体实施方式

实施例1

本实施例的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法生产的铸件为铸件为行走箱的壳体铸件，该铸件的轮廓尺寸为1374*1380*1025mm，最薄壁厚为25mm,最大壁厚为80mm,铸件重量约1.3t。首先钢水熔炼时采用电弧炉EAF冶炼，采用投料—熔化—吹氧—还原的熔炼工艺，投料时先在炉底加入钢水重量6.0%的石灰石，然后加入重量比为废钢50%、生铁20%、铬钼返回料30%进行熔炼，使出钢前C含量为0.23~0.25、%，S含量≤0.005%；在钢水温度大于1550℃时测量钢水氧活性，然后将钢水转入钢包精炼炉中，若氧活性＞10ppm，加入0.5~1kg/t钢铝粒和0.5~1kg/t硅钙进行还原，使氧活性≤10ppm，当钢水温度≥1550℃后，进行取样分析，并调整钢水中合金元素的含量，各元素的含量为C%：0.25、Si%：0.30、Mn%：1.10、P%：0.010、Cr%：0.55、Mo%：0.33、Ni%：0.7，Sn≤0.030%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，As≤0.03%，余量为铁和不可避免的杂质,同时控制钢水中S的百分含量小于0.003%；再将钢水转入真空脱气炉中进行VD冶炼，VD冶炼时，将炉内真空度抽至60Pa以下，并保持15min，使H含量小于2ppm。熔炼后的钢水进行行走箱壳体铸件的浇注，对浇注的浇包及铸件型腔采用吹氩气保护，具体为，在浇包的浇口四角底部设置氩气通入装置，浇注时铸件的型腔设备吹氩气装置，以防止钢液与空气接触氧化。浇注后的铸钢件打箱后进行淬火处理工艺为：将铸钢件平整地装到热处理炉内，本方法采用的热处理炉为自动控温的台式热处理炉，热处理炉内设有用于放置铸件的垫铁，铸件置于热处理炉前，平整的放置在一便于吊运的托盘上，并将铸件底部与托盘之间的接触间隙用楔铁填实，铸件及托盘吊运至热处理炉内垫铁上时，将垫铁与托盘之间的间隙也用楔铁填实，以保证铸件在热处理炉内均匀加热升温。铸件进炉后，以65℃/h的升温速度，将铸件均匀升温至850℃，然后保温3.3h，保温结束后，将铸件移出热处理炉，当铸件整体温度降至740~745℃时，将铸件浸入装有PAG淬火液的淬火槽中，铸件在淬火槽中持续冷却，冷却时，通过搅拌和循环冷却的方式保持PAG淬火液的温度在20—40℃范围内以加速铸件冷却。待铸件最高温度降至200℃时，将铸件从淬火槽中吊出并在静止空气中继续自然冷却；当铸件温度降至100℃后再次移入热处理炉进行回火处理，以进炉后以50℃/h的升温速度将铸件再次加热至600℃后进行保温4h，保温结束后铸件以50℃/h的速度随炉缓慢冷却至＜200℃时出炉，最后在空气中自然冷却。

经检测该行走箱壳体铸件的抗拉强度为971MPa，屈服强度为824MPa，延伸率为19%，断面收缩率为52%，布氏硬度为289HB，金属夏比U型缺口冲击功为59J。

实施例2

本实施例的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法生产一种连接架铸件，该铸件的轮廓尺寸为3069*1600*940mm，最薄壁厚为20mm,最大壁厚为100mm,铸件重量10t。首先钢水熔炼时采用电弧炉EAF冶炼，采用投料—熔化—吹氧—还原的熔炼工艺，投料时先在炉底加入钢水重量5.5%的石灰石，然后加入重量比为废钢50%、生铁20%、铬钼返回料30%进行熔炼，使出钢前C含量为0.23~0.25、%，S含量≤0.005%；在钢水温度大于1550℃时测量钢水氧活性，然后将钢水转入钢包精炼炉中，若氧活性＞10ppm，加入0.5~1kg/t钢铝粒和0.5~1kg/t硅钙进行还原，使氧活性≤10ppm，当钢水温度≥1550℃后，进行取样分析，并调整钢水中合金元素的含量，各元素的含量为C%：0.24、Si%：0.32、Mn%：1.12、P%：0.012、Cr%：0.53、Mo%：0.35、Ni%：0.67，Sn≤0.030%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，As≤0.03%，余量为铁和不可避免的杂质,同时控制钢水中S的百分含量小于0.003%；再将钢水转入真空脱气炉中进行VD冶炼，VD冶炼时，将炉内真空度抽至60Pa以下，并保持30min，使H含量小于2ppm。熔炼后的钢水进行连接架的浇注，对浇注的浇包及铸件型腔采用吹氩气保护，具体为，在浇包的浇口四角底部设置氩气通入装置，浇注时铸件的型腔设备吹氩气装置，以防止钢液与空气接触氧化。浇注后的铸钢件打箱后进行淬火处理工艺为：将铸钢件平整地装到热处理炉内，本方法采用的热处理炉为自动控温的台式热处理炉，热处理炉内设有用于放置铸件的垫铁，铸件置于热处理炉前，平整的放置在一便于吊运的托盘上，并将铸件底部与托盘之间的接触间隙用楔铁填实，铸件及托盘吊运至热处理炉内垫铁上时，将垫铁与托盘之间的间隙也用楔铁填实，以保证铸件在热处理炉内均匀加热升温。铸件进炉后，以75℃/h的升温速度，将铸件均匀升温至880℃，然后保温3.7小时，保温结束后，将铸件移出热处理炉，当铸件整体温度降至775~780℃时，将铸件浸入装有PAG淬火液的淬火槽中，铸件在淬火槽中持续冷却，冷却时，通过搅拌和循环冷却的方式保持PAG淬火液的温度在20—40℃范围内以加速铸件冷却。待铸件最高温度降至250℃时，将铸件从淬火槽中吊出并在静止空气中继续自然冷却；当铸件温度降至150℃后再次移入热处理炉进行回火处理，以进炉后以55℃/h的升温速度将铸件再次加热至620℃后进行保温4.5小时，保温结束后铸件以55℃/h的速度随炉缓慢冷却至＜200℃时出炉，最后在空气中自然冷却。

经检测该连接架铸件的抗拉强度为900MPa，屈服强度为750MPa，延伸率为21%，断面收缩率为54%，布氏硬度为260HB，金属夏比U型缺口冲击功为80J。

实施例3

本实施例的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法生产一种摇臂铸件铸件，该铸件的轮廓尺寸为2766*1287*980mm，最薄壁厚为30mm,最大壁厚为200mm,铸件重量4.5t。首先钢水熔炼时采用电弧炉EAF冶炼，采用投料—熔化—吹氧—还原的熔炼工艺，投料时先在炉底加入钢水重量6.0%的石灰石，然后加入重量比为废钢50%、生铁20%、铬钼返回料30%进行熔炼，使出钢前C含量为0.23~0.25、%，S含量≤0.005%；在钢水温度大于1550℃时测量钢水氧活性，然后将钢水转入钢包精炼炉中，若氧活性＞10ppm，加入0.5~1kg/t钢铝粒和0.5~1kg/t硅钙进行还原，使氧活性≤10ppm，当钢水温度≥1550℃后，进行取样分析，并调整钢水中合金元素的含量，各元素的含量为C%：0.26、Si%：0.30、Mn%：1.10、P%：0.010、Cr%：0.55、Mo%：0.32、Ni%：0.77，Sn≤0.030%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，As≤0.03%，余量为铁和不可避免的杂质,同时控制钢水中S的百分含量小于0.003%；再将钢水转入真空脱气炉中进行VD冶炼，VD冶炼时，将炉内真空度抽至60Pa以下，并保持20min，使H含量小于2ppm。熔炼后的钢水进行摇臂铸件的浇注，对浇注的浇包及铸件型腔采用吹氩气保护，具体为，在浇包的浇口四角底部设置氩气通入装置，浇注时铸件的型腔设备吹氩气装置，以防止钢液与空气接触氧化。浇注后的铸钢件打箱后进行淬火处理工艺为：将铸钢件平整地装到热处理炉内，本方法采用的热处理炉为自动控温的台式热处理炉，热处理炉内设有用于放置铸件的垫铁，铸件置于热处理炉前，平整的放置在一便于吊运的托盘上，并将铸件底部与托盘之间的接触间隙用楔铁填实，铸件及托盘吊运至热处理炉内垫铁上时，将垫铁与托盘之间的间隙也用楔铁填实，以保证铸件在热处理炉内均匀加热升温。铸件进炉后，以70℃/h的升温速度，将铸件均匀升温至860℃，5.3h，保温结束后，将铸件移出热处理炉，当铸件整体温度降至755~760℃时，将铸件浸入装有PAG淬火液的淬火槽中，铸件在淬火槽中持续冷却，冷却时，通过搅拌和循环冷却的方式保持PAG淬火液的温度在20—40℃范围内以加速铸件冷却。待铸件最高温度降至225℃时，将铸件从淬火槽中吊出并在静止空气中继续自然冷却；当铸件温度降至125℃后再次移入热处理炉进行回火处理，以进炉后以60℃/h的升温速度将铸件再次加热至640℃后进行保温7h，保温结束后铸件以60℃/h的速度随炉缓慢冷却至＜200℃时出炉，最后在空气中自然冷却。

经检测该摇臂铸件的拉强度为1000MPa，屈服强度为850MPa，延伸率为17%，断面收缩率为45%，布氏硬度为300HB，金属夏比U型缺口冲击功为50J。

Claims

1.一种采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法,其特征在于，铸钢件材料包括如下质量组份的各元素,C%：0.23~0.27、Si%：0.25~0.40、Mn%：1.00~1.20、P%≤0.015、S%≤0.010、Cr%：0.5~0.6、Mo%：0.30~0.4、Ni%：0.6~0.9，其中,残余元素Sn≤0.030%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，As≤0.03%，余量为铁和不可避免的杂质；所述铸钢件材料的碳当量Ceq=0.61~0.75，所述铸钢件材料冶炼时采用EAF电炉熔炼、LF钢包精炼+真空脱气VOD熔炼工艺使出钢水前钢水中的氧活性≤10ppm，H含量＜2ppm；将熔炼后成分符合要求的钢水进行浇注，浇注后的铸钢件升温至840~880℃后进行淬火处理，然后再升温至600~640℃进行回火处理。

2.根据权利要求1所述的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，其特征在于，所述碳当量按Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，其中，式中的元素符号代表质量百分含量。

3.根据权利要求1所述的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，其特征在于，其特征在于，熔炼后的钢水进行浇注时，对浇注的浇包及铸件型腔采用吹氩气保护，具体为，在浇包的浇口四角底部设置氩气通入装置，浇注时铸件的型腔设置吹氩气装置，以防止钢液与空气接触氧化。

4.根据权利要求1所述的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，其特征在于，浇注后的铸钢件打箱后进行淬火处理工艺为：将铸钢件平整地装到热处理炉内，以65—75℃/h的升温速度，将铸件均匀升温至840~880℃，然后保温T1时间，保温时间T1按1min/mm*最大壁厚+1~3h计算得出，保温结束后，将铸件移出热处理炉，当铸件整体温度降至740~780℃时，将铸件浸入装有PAG淬火液的淬火槽中，铸件在淬火槽中持续冷却，待铸件最高温度降至200~250℃时，将铸件从淬火槽中吊出并在静止空气中继续自然冷却；当铸件温度降至100~150℃后再次移入热处理炉进行回火处理，进炉后以50—60℃/h的升温速度将铸件再次加热至600~640℃后保温T2时间，保温时间T2按照1~2min/mm*铸件最大壁厚+1~3h计算得出，保温结束后将铸件以50—60℃/h的速度随炉缓慢冷却至＜200℃时出炉，最后在空气中自然冷却。

5.根据权利要求1所述的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，其特征在于，所述热处理炉为自动控温的台式热处理炉，所述热处理炉内设有用于放置铸件的垫铁，所述铸件置于热处理炉前，平整的放置在一便于吊运的托盘上，并楔铁将铸件底部与托盘之间的接触间隙填实，铸件及托盘吊运至热处理炉内的垫铁上，将垫铁与托盘之间的间隙也用楔铁填实。

6.根据权利要求4所述的采煤机械用高强度铸钢件的铸造生产方法，其特征在于，淬火处理过程中，铸件移入装有PAG淬火液的淬火槽内后，所述PAG淬火液的温度通过搅拌和循环冷却的方式保持在20—40℃。