CN108559920B - G100级方链条的制备方法 - Google Patents

G100级方链条的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种G100级方链条的制备方法，属于链条制备的技术领域。本发明的方链条由带缺口的链环依次编链，并通过摩擦焊形成闭合的链环；所述链环由位于两端的圆弧段和两端圆弧段之间的直线段构成，所述缺口位于直线段，并且所述直线段的截面为长方形；所述制备方法包括顺序进行的以下步骤：原材料准备、拔料、编链、摩擦焊和热处理。本发明的高强度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，疲劳性能优异。

Description

G100级方链条的制备方法
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G100级方链条的制备方法。
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G100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G100级方链条的制备方法。
本发明的G100级方链条的制备方法，所述方链条由带缺口的链环依次编链，并通过摩擦焊形成闭合的链环；所述链环由位于两端的圆弧段和两端圆弧段之间的直线段构成，所述缺口位于直线段，并且所述直线段的截面为长方形；其特征在于：所述制备方法包括顺序进行的以下步骤：原材料准备、拔料、编链、摩擦焊和方链条的热处理；其中：
所述原材料准备步骤中，选择低合金钢棒材作为原材料，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；所述低合金钢通过电炉炼钢得到，锻成棒材后进行热处理，所述低合金钢棒加热至910～980℃保温20～30分钟，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℃；
所述方链条的热处理步骤中，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1.0～2.0小时。
其中，所述低合金钢棒的抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥980MPa，伸长率≥10％，断面收缩率≥50％，20℃下的冲击功≥50J。
其中，所述原材料准备步骤中，热处理后的低合金钢的显微组织为细板条状的马氏体组织。
其中，所述摩擦焊为线性摩擦焊，并且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，所述制备方法还包括热处理后的表面处理步骤，所述表面处理包括碳氮共渗以及黑化处理，形成的碳氮共渗层的厚度为10～25μm；黑化层的厚度为2～10μm。
其中，所述碳氮共渗处理采用等离子碳氮共渗工艺，处理温度为350～450℃，含氮气体和含碳气体的气氛为1200～3000Pa，并且所述气氛中碳氮的摩尔比为2:1～5:1。
其中，所述黑化处理采用常温黑化处理液，所述常温黑化处理液包括5～15g/L的磷酸盐、2.0～10g/L的二价锰盐、1～5g/L的硝酸钠、1～5g/L的氟化钠，pH值为1.5～2.5。
本发明的G100级方链条的制备方法具有以下有益效果：
本发明的高强度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G100级方链条的立体结构示意图(第一视图)。
图2为本发明的G100级方链条的立体结构示意图(第二视图)。
图3为本发明的G100级方链条的平面结构示意图。
图4为本发明的G100级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典型XRD衍射图谱。
图7为表面处理后G100级方链条表面附近的典型截面结构示意图。
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G100级方链条由带缺口的链环依次编链，并通过摩擦焊形成闭合的链环；所述链环由位于两端的圆弧段和两端圆弧段之间的直线段构成，所述缺口位于直线段，并且所述直线段的截面为长方形。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6～32mm的G100级链条。
本发明的G100级方链条可通过包括以下工序的制备方法制备得到：材料检验→拔料→下料→编链→线性摩擦焊→校正→热处理→表面处理→出厂检验。
材料检验
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
Figure GDA0002233183840000051
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)。
拔料
根据链条规格、尺寸选用合适材料的棒料，采用拔料的方式，为原材料整形，拔方。
下料
拔好的料，根据链条尺寸以及焊接工艺要求，确定下料长度，准备下料。
检查工装安装是否完好，设备运转状态是否正常；原材料平放在料架上；根据下料尺寸，用扳手调整定位挡板位置及刀片间隙；检查试切件的尺寸，如有不符，重新调整挡板位置再重新试切，直到检测尺寸符合工艺要求，才能批量生产。
编链
用气动加油泵对设备的润滑点进行润滑；检查工装安装是否完好，设备运转状态是否正常；启动机器，试编3-5个环，进行检查，根据检查结果进行调整；检查环的中点测量节距、外宽、对口间隙、中心偏移等；是否满足设计工艺要求，如有不符，则调整编链工装，重新编链。
线性摩擦焊
链环中的一端安装在升降台的固定夹具上，另一端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。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，使链环需焊接部分产生摩擦热，经过几秒后将其焊接在一起。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。
热处理
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。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3所示。
表3
Figure GDA0002233183840000071
试验符合测试
试验负荷测试≥工作符合的2.5倍。G100级链条的要求如表4所示。
表4
Figure GDA0002233183840000081
表面处理
为了提高方链条表面的耐磨性，所述方链条表面还可以进行表面处理，首先进行碳氮共渗处理以提高耐磨性，然后进行黑化处理以改进耐蚀性，而且通过在碳氮共渗层上进行黑化处理有利于形成致密的复合膜层结构。所述碳氮共渗处理优选采用等离子碳氮共渗工艺，并且处理温度为350～450℃，含氮气体(例如NH3)和含碳气体(例如CH4、C2H2等)的气氛为1200～3000Pa，并且所述气氛中碳氮的摩尔比为2:1～5:1，如果碳氮的摩尔比小于2:1或大于5:1，可能在黑化处理时在界面处形成裂纹或孔洞，导致黑化层的耐蚀性显著降低。而如图7所示，在上述碳氮摩尔比范围内形成的碳氮共渗层2，并在其上形成在碳氮共渗层2上的黑化层1，二者界面处结合良好，并且无裂纹或大的孔洞，从而形成了致密的膜层结构。在本发明中，所述碳氮共渗层的厚度优选为10～25μm；黑化层(XRD显示主要成分为Fe3O4)的厚度优选为2～10μm，优选为2～5μm。相比于常规的黑化处理相比，本发明结合碳氮共渗处理以及黑化处理能够显著提高耐蚀性。在本发明中所述的黑化处理可以采用常用的常温黑化处理液，例如可以采用包括5～15g/L的磷酸盐(例如磷酸铁、磷酸锰)、2.0～10g/L的二价锰盐(例如硝酸锰、氯化锰)、1～5g/L的硝酸钠(NO3 -)、1～5g/L的氟化钠，pH值为1.5～2.5的黑化处理液。以形成3.0μm左右的黑化层为例，采用上述常温黑化处理液如果按照常规的黑化处理(在黑化处理前不进行本发明的碳氮共渗)喷5％NaCl水溶液出现红锈的时间为300～500小时，而先形成本发明上述的碳氮共渗层，然后进行上述黑化处理得到的黑化层喷5％NaCl水溶液出现红锈的时间为1200小时以上，并且一般能达到1500小时左右，极大地提高了方链条的耐蚀性，而且链条表面的硬度也可以达到700Hv以上，同时兼有良好的耐磨性。
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 (7)

1.一种G100级方链条的制备方法，所述方链条由带缺口的链环依次编链，并通过摩擦焊形成闭合的链环；所述链环由位于两端的圆弧段和两端圆弧段之间的直线段构成，所述缺口位于直线段，并且所述直线段的截面为长方形；其特征在于：所述制备方法包括顺序进行的以下步骤：原材料准备、拔料、编链、摩擦焊和方链条的热处理；其中：
所述原材料准备步骤中，选择低合金钢棒材作为原材料，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；所述低合金钢通过电炉炼钢得到，锻成棒材后进行热处理，所述低合金钢棒加热至910～980℃保温20～30分钟，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℃；
所述方链条的热处理步骤中，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1.0～2.0小时。
2.根据权利要求1所述的G100级方链条的制备方法，其特征在于：所述低合金钢棒的抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥980MPa，伸长率≥10％，断面收缩率≥50％，20℃下的冲击功≥50J。
3.根据权利要求1所述的G100级方链条的制备方法，其特征在于：所述原材料准备步骤中，热处理后的低合金钢的显微组织为细板条状的马氏体组织。
4.根据权利要求1所述的G100级方链条的制备方法，其特征在于：所述摩擦焊为线性摩擦焊，并且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。
5.根据权利要求1所述的G100级方链条的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括热处理后的表面处理步骤，所述表面处理包括碳氮共渗以及黑化处理，形成的碳氮共渗层的厚度为10～25μm；黑化层的厚度为2～10μm。
6.根据权利要求5所述的G100级方链条的制备方法，其特征在于：所述碳氮共渗处理采用等离子碳氮共渗工艺，处理温度为350～450℃，含氮气体和含碳气体的气氛为1200～3000Pa，并且所述气氛中碳氮的摩尔比为2:1～5:1。
7.根据权利要求6所述的G100级方链条的制备方法，其特征在于：所述黑化处理采用常温黑化处理液，所述常温黑化处理液包括5～15g/L的磷酸盐、2.0～10g/L的二价锰盐、1～5g/L的硝酸钠、1～5g/L的氟化钠，pH值为1.5～2.5。
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