CN108223695A - 高强度锻造方链条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度锻造方链条及其制备方法，属于链条制备的技术领域。本发明的高强度锻造方链条包括间隔设置的锻造环，锻造环之间通过两个锻造半截链环焊接形成长链结构，所述方链条经过热处理。锻造环以及锻造半截链环由低合金钢通过锻造工艺形成，所述低合金钢含有0.021~0.025wt%的碳、0~0.025wt%的硅、1.10~1.40wt%的锰、0.40~0.60wt%的铬、0.90~1.10wt%的镍、0.50~0.60wt%的钼、0.025~0.050wt%的铝，≤0.020wt%的硫，≤0.020wt%的磷，余量为铁以及不可避免的杂质。

Description

高强度锻造方链条及其制备方法
技术领域
本发明涉及链条制备的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高强度锻造方链条及其制备方法。
背景技术
链条一般为金属的链环或环形物，多用作机械传动、牵引。链条按照其形式主要有焊接和组装，对于特种链条通常是采用优质合金钢加工而成，其突出特点是耐磨、耐高温、延展性低、受力后不会伸长等，其使用寿命长，易弯曲，适用于大规模、频繁使用的场合。目前国内现有的起吊链条采用的合金钢中不仅合金元素含量高，而且受材料限制抗拉性能普遍不高，且疲劳性能特别是G120级链条均达不到欧盟认证的安全性能标准。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高强度锻造方链条及其制备方法及其制备方法。
本发明的高强度锻造方链条，包括间隔设置的锻造环，相邻的锻造环之间通过两个锻造半截链环焊接形成长链结构；所述锻造环由位于两端的圆弧段和两端圆弧段之间的直线段构成，并且所述直线段的横截面为长方形；所述锻造半截环由圆弧段以及位于圆弧段两侧的直线段构成，并且所述直线段的横截面为长方形。
其中，所述锻造环以及锻造半截链环由低合金钢通过锻造工艺形成，所述低合金钢含有0.021～0.025wt％的碳、0～0.025wt％的硅、1.10～1.40wt％的锰、0.40～0.60wt％的铬、0.90～1.10wt％的镍、0.50～0.60wt％的钼、0.025～0.050wt％的铝，≤0.020wt％的硫，≤0.020wt％的磷，余量为铁以及不可避免的杂质。
其中，所述低合金钢的抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥980MPa，20℃下的冲击功≥50J。
其中，锻造工艺中预锻温度为1050～1180℃，终锻温度为930～980℃，终锻后控制冷却速度为0.75～1.0℃/秒，冷却到360～430℃温冲切后空冷至室温；相邻的锻造环之间通过两个锻造半截链环通过摩擦焊形成长链结构后，加热至Ac3点至Ac3点以上100℃的温度范围并进行淬火，然后进行回火，回火温度≥400℃，并且保温时间为1.0～3.0小时。
其中，所述摩擦焊工艺为线性摩擦焊，所述线性摩擦焊采用的振动频率为25～40Hz，振幅为1.0～3.0mm，轴向压力为150～250MPa，摩擦时间为1.0～5.0s。
本发明的第二方面，还涉及一种高强度锻造方链条的制备方法，所述制备方法包括顺序进行的以下步骤：原材料准备、锻造成形、磁粉探伤、线性摩擦焊以及热处理。
其中，所述原材料准备步骤中，所述原材料为低合金钢棒材，并且所述低合金钢含有0.021～0.025wt％的碳、0～0.025wt％的硅、1.10～1.40wt％的锰、0.40～0.60wt％的铬、0.90～1.10wt％的镍、0.50～0.60wt％的钼、0.025～0.050wt％的铝，≤0.020wt％的硫，≤0.020wt％的磷，余量为铁以及不可避免的杂质。
其中，锻造成形步骤中，低合金钢棒材的加热温度控制在1150±30℃，预锻温度为1050～1180℃，终锻温度为930～980℃，终锻后控制冷却速度为0.75～1.0℃/秒，冷却到360～430℃温冲切后空冷至室温。
其中，所述摩擦焊工艺为线性摩擦焊，所述线性摩擦焊采用的振动频率为25～40Hz，振幅为1.0～3.0mm，轴向压力为150～250MPa，摩擦时间为1.0～5.0s。
其中，热处理步骤中，将方链条加热至Ac3点至Ac3点以上100℃的温度范围并进行淬火，然后进行回火，回火温度≥400℃，并且保温时间为1.0～3.0小时。
本发明的高强度锻造方链条及其制备方法具有以下有益效果：
本发明的高强度锻造方链条采用的低合金钢成本较低，制备工艺效率高、节能低耗；而且得到的成品抗拉强度高，且具有优异的韧性(低温韧性)，疲劳性能优异。
附图说明
图1为本发明的高强度锻造方链条的立体结构示意图(第一视图)。
图2为本发明的高强度锻造方链条的立体结构示意图(第二视图)。
图3为本发明的高强度锻造方链条的平面结构示意图。
图4为本发明的高强度锻造方链条的规格尺寸示意图。
图5为本发明采用的低合金钢的热处理工艺制度曲线示意图。
图6为本发明采用的低合金钢的XRD衍射图谱。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明所述的高强度锻造方链条及其制备方法做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1～3所示，本发明的高强度锻造方链条包括间隔设置的锻造环10，相邻的锻造环10之间通过两个锻造半截链环20焊接形成长链结构；所述锻造环10由位于两端的圆弧段11和两端圆弧段之间的直线段12构成，并且所述直线段12的横截面为长方形。所述锻造半截环20由圆弧段21以及位于圆弧段21两侧的直线段22构成，并且直线段的横截面为长方形。图4示出了本发明所制备的链条尺寸，其中D代表规格，可制备6～16mm的G120级链条。
本发明的高强度锻造方链条可通过包括以下工序的制备方法制备得到：材料准备及检验、下料→锻造成形→磁粉探伤→线性摩擦焊→热处理→验证符合测试→出厂检验。
材料准备及检验
本发明采用低合金钢棒材作为原材料，并且检验所述低合金钢的元素组成在以下范围内：
碳：0.021～0.025wt％
硅：≤0.025wt％
锰：1.10～1.40wt％
硫：残余量≤0.020wt％
磷：残余量≤0.020wt％
铬：0.40～0.60wt％
镍：0.90～1.10wt％
钼：0.50～0.60wt％
钛：残余量≤0.010wt％
铝：0.025～0.050wt％。
碳是用于提高链条原材料(棒材)强度的必要元素，在不足0.021％时通过热处理不能得到足够的强度，而超过0.025％时将会导致碳析出物显著并长大，对后续的摩擦焊不利，会导致焊接部的韧性降低。因而在本发明中，将所述碳的含量规定为0.021～0.025％。
硅一般被认为有利于提高固溶强化性能，一般认为添加0.10～0.30％的硅不会实质影响延展性，而且硅的添加有利于提高强度并提高耐热性，并且在炼钢时有利于脱氧。但是在本发明中，硅的含量超过0.025％会导致焊接性能变差，会在表面形成硅锰的复合氧化物使得通过摩擦焊形成的链条焊接部的韧性降低，尤其是低温韧性显著降低，因而在本发明中硅的含量不超过0.025％。
锰不仅有效提高钢的强度，而且有利于脱氧并提高钢的淬透性，并且为淬火促进马氏体相形成的有效元素。另外锰还可以固定硫使得硫以MnS的形成析出从而防止热加工热轧时形成脆性裂纹，改善钢的热加工性能。如果锰的含量低于1.1％将导致淬透性不足，热轧性能不良，而如果锰的含量高于1.4％时将会导致韧性降低，而且在表面形成含锰的稳定性氧化铁皮，将导致焊接性能变差，因而在本发明中将锰的含量规定为1.10～1.40％。
钢中残留的硫会导致韧性、焊接性以及热轧性能变差，如果含量超过0.020％将会导致韧性、焊接性明显变差，因而将其上限规定为0.020％。
钢总残留的磷会导引起晶界脆化并且使得焊接性能变差，如果含量超过0.020％将会导致摩擦焊性能明显变差，因而将其上限规定为0.020％。
铬对于提高淬透性、确保强度是有用的，而且铬有利于提高回火强度，为了确保所需的强度，铬的含量为0.40％以上，但是当铬的含量超过0.60％时会在表面形成稳定的含铬氧化物，会导致焊接性能变差。
镍有利于提高钢的淬透性，并且提高强度，而且镍的添加还有利于提高钢对疲劳的抗力，在本发明中当镍的含量为0.90％以上时，可以获得明显的上述效果。但当镍的含量超过1.1％时将会影响焊接性能，在上述硅的含量规定为0.025％以下的前提下，当镍的含量在0.90～1.10％时，有利于获得最佳的焊接性能，对于焊接部能够获得最佳的冲击韧性，并且显著减少钢对缺口的敏感性。因而在本发明中将镍的含量规定为0.90～1.10％。
钼的添加有利于提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，尤其是钼可以细化晶粒，提高耐疲劳性能，为了保证本发明的效果，钼的添加量为0.50％以上，但是当钼的含量超过0.60％时将导致焊接性变差。因而在本发明中将钼的含量规定为0.50～0.60％。
钛的含量应为0.010％以下，当钛的含量为0.010％以上，将导致焊接性变差，并导致焊接处的冲击韧性显著变差。
铝是脱氧所必须的材料，铝能抑制钢的时效性，提高钢在低温下的韧性，如果含量不足0.025％其添加效果差，如果含量超过0.050％可能会导致加工脆化。因而在本发明中将铝的含量规定为0.025～0.050％。
低合金钢的抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥980MPa，23℃下的冲击韧性Akv≥50J(优选≥100J)。
在本发明中，所述低合金钢可通过电炉炼钢得到，通过精炼成分调整，脱硫，脱磷，脱氧，组分微调得到符合本发明上述元素组成的低合金钢铸锭，并控制钢中氮含量小于100ppm，氧含量小于20ppm，并锻成棒材。然后进行热处理，热处理的工艺制度如图5所示，图6示出了热处理后所述的低合金钢的典型XRD衍射图谱，结合显微照片可以分析出低合金钢的显微组织基本为细板条状的马氏体组织。所述热处理具体来说，将低合金钢(棒)加热至910～980℃保温20～30分钟，然后在盐浴中淬火，淬火后保温1.0～2.0小时，然后空冷至室温，所述盐浴的温度为290～330℃。表1示出了各样品的元素组成，而表2示出了其力学性能(加热至950℃保温20分钟，在300℃的盐浴中淬火，然后保温1.5小时并空冷至室温)。
表1 余量为铁以及不可避免的杂质(单位wt％)
C Si Mn Cr Ni Mo Al Ti S P
实施例1 0.021 0.020 1.25 0.49 1.02 0.53 0.032 － 0.008 0.011
实施例2 0.023 0.018 1.36 0.52 0.98 0.55 0.037 － 0.007 0.012
实施例3 0.023 0.010 1.32 0.57 0.99 0.51 0.042 － 0.010 0.011
实施例4 0.025 0.013 1.15 0.55 1.08 0.58 0.043 － 0.006 0.010
实施例5 0.022 0.022 1.29 0.51 1.05 0.55 0.039 － 0.005 0.012
对比例1 0.021 0.020 1.25 0.49 1.02 0.53 0.032 0.015 0.008 0.011
对比例2 0.023 0.050 1.32 0.57 0.99 0.51 0.042 － 0.010 0.011
对比例3 0.023 0.018 1.36 0.52 0.52 0.55 0.037 － 0.007 0.012
对比例4 0.023 0.018 1.36 0.52 0.80 0.55 0.037 － 0.007 0.012
对比例5 0.023 0.010 1.32 0.57 1.20 0.51 0.042 － 0.010 0.011
对比例6 0.023 0.12 1.32 0.57 1.20 0.51 0.042 － 0.010 0.011
表2
与常规的淬火(浴液为180℃以下)+回火工艺相比，本发明的热处理工艺显著提高了室温下的冲击韧性(采用常规的淬火+回火工艺室温冲击韧性为40-80J)。
下料
采用带锯床对原材料进行锯切，端面平整，重量误差±3g以内，组织不受损。
检查带锯床工装安装是否完好，设备运转状态是否正常；
将原材料平直装夹在带锯床夹板内，保证原材料端面平齐，装夹牢固，原材料不会前后，左右移动，再调整带锯床移动距离；
根据产品图纸以及工艺要求调整好下料尺寸；
锯切完一段原材料后，要对照图纸测量下料长度，并用肉眼观察据切面的平整度，确定锯切面是否倾斜以及表面粗糙度是否满足工艺要求；
当所有检测均满足要求时，操作人员要将下好的原材料交由带班检测人员最终确认下料质量，带班检测人员确定下料质量合格，操作人员才能进行批量生产。
锻造成形
3.1加热
使用中频炉加热，采用红外线测温，加热温度控制在1150℃±30℃的范围内。确保材料稳定在1050～1180℃，欠温料可再加热一次，过烧料直接报废处理。
开启中频炉冷却水泵，冷却水压大于1.0Mpa，检查管路，接头是否漏水；
合上中频炉动力柜开关，开启电源，检查各相序灯，仪表显示是否正常；
设置切料时间，符合生产节拍；
控制主操作台，设置自动送料时间，检查送料是否正常；
使功率表逐渐上升，符合工艺规范，调整红外线测温仪，设定检测料温极限值，观察检测结果是否准确；
选择合适料径，合适质量的原材料，加入上料台，准备原材料加热。
3.2锻造
锻造前用大面积火焰慢烘模具，使模具的表面预热到120-200℃；
将坯料加热到1150℃±30℃，然后沿导料装置进入到接料平台，用压缩空气吹净坯料上的氧化皮，用夹具夹住坯料放在制坯平台上，根据锻造要求，压制出合适的坯料；
用压缩空气吹去锻模腔内的氧化皮，再均匀喷脱模剂于锻模模腔，把制好的坯料先放在预锻模腔内，锻出半成型品，然后把半成型品再放到终锻模腔内锻出精确外形；
预锻温度保持在1050～1180℃，终锻温度保持在930～980℃，终锻后将锻造好的锻件进行缓慢冷却，控制冷却速度为0.75-1℃/秒，控制冷却速度在上述范围有利于获得细的奥氏体晶粒度(9～10级)，进而保证后续的摩擦焊以及热处理工艺，有利于获得细化的马氏体组织。冷却到360～430℃后进行温冲切；
锻造好的成品对锻件进行尺寸的精确测量，并且根据锻造要求，锻件不得产生任何裂纹、折叠、氧化麻点等影响锻件表面质量的缺陷；
经过检测的产品必须完全符合锻件的尺寸要求，以及表面质量要求，才能进行锻件的大批量生产，否则必须对模具或各种工艺参数进行调整之后，才能继续试制锻造成品。
3.3冲切
锻件缓慢冷却到360～430℃后，然后放入切边模具中，利用零件与下模具剪切作用使锻件与飞边进行分离；然后对产品进行抛丸处理，去除表面氧化皮，提高产品表面质。
4、磁粉探伤
4.1作业要求
清洁被检工件表面，不得有油脂、铁锈、氧化皮或其他粘附磁粉的物质。被检工件表面的不规则状态，不得影响检测结果的正确性和完整性。
检测时机要求
磁粉探伤原则上应安排在一切加工及处理工序结束后进行。
辅助设备
①A型试片；②磁场指示器、磁场强度计；③磁悬液浓度测定管；④2-10倍放大镜；⑤白光计；⑥紫外线灯；⑦黑光辐照计；⑧高斯计。
磁悬液的要求
用磁悬液浓度沉淀管或浓度测试仪测量磁粉浓度，浓度范围见表3。
表3
磁粉种类 配制浓度g/L 沉淀浓度(含固体量)mL/100mL
非荧光磁粉 10-25 1.2-2.4
荧光磁粉 0.5-3.0 0.1-0.4
4.2检测过程
4.2.1用标准试片检验检测设备、磁粉和磁悬液的综合性能；
4.2.2施加磁粉磁化
4.2.3缺陷磁痕的观察
4.3退磁
4.3.1退磁方法
退磁可分为交流退磁法和直流退磁法两种。
4.3.2剩磁测定
工件的退磁效果一般可用剩磁检查仪或磁场强度计测定，剩余磁场强度不应超过240A/m(3GS)或按产品技术条件规定。
4.4后处理
4.4.1检测工作结束以后，及时处理工件及由检测过程产生的废弃物，各种设施及仪器、仪表恢复到初始状态。
4.4.2评定发现超标的磁痕时，应在工件相关位置上，标识出清晰的标记，并记录，以便实施打磨等补修措施及另行处理；
4.4.3磁粉检测合格的产品，退磁后继续转入下一工序，带有标记的产品经过处理后，重新检测，确定合格后再继续流转，不合格产品直接报废。
5、线性摩擦焊
两锻造半截链环中的一个一个安装在升降台的固定夹具上，另一个安装在和振动器相连的夹具上。升降台启动，做垂直升降运动，由液压系统提供动力并控制工作压力。两锻造半截链环由升降台压紧在一起，在受压的状态下，振动电源驱动振动器振动，使两个焊接件间产生摩擦热，经过几秒后将两件焊接在一起。停止振动保持压力，熔化的焊接件在压力下短时间内被冷却下来并固化。在本发明中，可采用常规的线性摩擦焊工艺即可得到良好的焊接性能。作为优选地，在本发明中，所述线性摩擦焊采用的振动频率为25～40Hz，振幅为1.0～3.0mm，轴向压力为150～250MPa，摩擦时间为1.0～5.0s。作为优选地，以规格为10mm的链条为例，对于表1所示出的低合金钢制备的锻造半截链环施加线性摩擦焊采用的振动频率为30Hz，振幅为1.0mm，轴向压力150MPa，摩擦时间为2.0秒。
线性振动摩擦焊所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，没有放射线。由于具有焊接质量好、效率高、节能、节材、低耗、环保、无污染等优点，所以线性振动摩擦焊技术被誉为绿色焊接技术。
本发明通过两个锻造半截链环线性摩擦焊形成链条结构，焊接的截面呈长方形，与普通的圆形截面摩擦焊相比，采用线性摩擦焊具有优异得多的焊接结果，采用线性摩擦焊焊缝区的微观结构均匀，热处理后焊缝区的力学性能良好。而如果采用圆形截面，其从轴心到圆周呈现出差异，导致热处理后的焊缝区的力学性能差(焊缝区的冲击韧性)，对于本发明的低合金钢比较，采用方链条替代常规的圆链条，焊缝区的冲击韧性可以提高30％以上。
6、热处理
6.1链条在高于Ac3点之上的温度淬火(例如Ac3～Ac3+100℃)，在受制于生产实验负荷前回火，回火温度≥400℃，淬火在≥400℃的温度保持一个小时，当要求检验时，链条样品应该在重新加热后测试，并在400℃保持一个小时，然后冷却达到室温。
6.2将热处理后的锻件放入喷丸机10-15分钟，清除氧化皮，提高表面质量。
作为示例性地，将采用表1示出的低合金钢经过线性摩擦焊(步骤5优选的工艺)形成的链条在950℃保温30分钟，然后油冷，然后加热至420℃保温1小时，然后空冷至室温。分别在室温(23℃)和低温(-40℃)测试焊缝区的冲击韧性Akv(取5个的平均值)，结果如表4所示。
表4
7、试验符合测试
试验负荷测试≥工作符合的2.5倍。
G120级链条的要求如表5所示。
表5
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度锻造方链条，其特征在于：包括间隔设置的锻造环，相邻的锻造环之间通过两个锻造半截链环焊接形成长链结构；所述锻造环由位于两端的圆弧段和两端圆弧段之间的直线段构成，并且所述直线段的横截面为长方形；所述锻造半截环由圆弧段以及位于圆弧段两侧的直线段构成，并且所述直线段的横截面为长方形。
2.根据权利要求1所述的高强度锻造方链条，其特征在于：所述锻造环以及锻造半截链环由低合金钢通过锻造工艺形成，所述低合金钢含有0.021~0.025wt%的碳、0~0.025wt%的硅、1.10~1.40wt%的锰、0.40~0.60wt%的铬、0.90~1.10wt%的镍、0.50~0.60wt%的钼、0.025~0.050wt%的铝，≤0.020wt%的硫，≤0.020wt%的磷，余量为铁以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的高强度锻造方链条，其特征在于：所述低合金钢的抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥980MPa，20℃下的冲击功≥50J。
4.根据权利要求1所述的高强度锻造方链条，其特征在于：锻造工艺中预锻温度为1050~1180℃，终锻温度为930~980℃，终锻后控制冷却速度为0.75~1.0℃/秒，冷却到360~430℃温冲切后空冷至室温；相邻的锻造环之间通过两个锻造半截链环通过摩擦焊形成长链结构后，加热至Ac3点至Ac3点以上100℃的温度范围并进行淬火，然后进行回火，回火温度≥400℃，并且保温时间为1.0~3.0小时。
5.根据权利要求4所述的高强度锻造方链条，其特征在于：所述摩擦焊工艺为线性摩擦焊，所述线性摩擦焊采用的振动频率为25~40Hz，振幅为1.0~3.0mm，轴向压力为150~250MPa，摩擦时间为1.0~5.0s。
6.一种高强度锻造方链条的制备方法，其特征在于：包括顺序进行的以下步骤：原材料准备、锻造成形、磁粉探伤、线性摩擦焊以及热处理。
7.根据权利要求6所述的高强度锻造方链条的制备方法，其特征在于：所述原材料准备步骤中，所述原材料为低合金钢棒材，并且所述低合金钢含有0.021~0.025wt%的碳、0~0.025wt%的硅、1.10~1.40wt%的锰、0.40~0.60wt%的铬、0.90~1.10wt%的镍、0.50~0.60wt%的钼、0.025~0.050wt%的铝，≤0.020wt%的硫，≤0.020wt%的磷，余量为铁以及不可避免的杂质。
8.根据权利要求6所述的高强度锻造方链条的制备方法，其特征在于：锻造成形步骤中，低合金钢棒材的加热温度控制在1150±30℃，预锻温度为1050~1180℃，终锻温度为930~980℃，终锻后控制冷却速度为0.75~1.0℃/秒，冷却到360~430℃温冲切后空冷至室温。
9.根据权利要求6所述的高强度锻造方链条的制备方法，其特征在于：所述线性摩擦焊采用的振动频率为25~40Hz，振幅为1.0~3.0mm，轴向压力为150~250MPa，摩擦时间为1.0~5.0s。
10.根据权利要求6所述的高强度锻造方链条的制备方法，其特征在于：热处理步骤中，将方链条加热至Ac3点至Ac3点以上100℃的温度范围并进行淬火，然后进行回火，回火温度≥400℃，并且保温时间为1.0~3.0小时。
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Denomination of invention: A preparation method of G120 forged square chain bar

Effective date of registration: 20211119

Granted publication date: 20200211

Pledgee: Lanshan Branch of Rizhao Bank Co.,Ltd.

Pledgor: SHANDONG HUAYUAN RIGGING Co.,Ltd.

Registration number: Y2021980012823

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