CN110042324B - 一种集装箱角件生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集装箱角件生产工艺，属于集装箱材料加工领域。本发明的集装箱角件生产工艺，包括以下步骤，一、熔炼：将炼钢材料加入炉中熔炼成钢水；二、浇铸：将熔炼好的钢水浇铸进生产集装箱角件专用模具中；三、切削加工：对浇铸好的铸坯进行切削加工，除去冒口，制成集装箱角件形状；四、热处理：对切削加工后的集装箱角件进行渗碳+淬火+回火热处理工艺；五、抛丸：对热处理工艺后的集装箱角件进行抛丸操作。本发明的集装箱角件生产工艺通过对热处理方法的改进，大大提高了生产角件的强度、耐磨性和低温韧性。

Description

一种集装箱角件生产工艺
技术领域
本发明涉及集装箱材料加工领域，更具体地说是涉及一种集装箱角件生产工艺。
背景技术
角件为集装箱上重要的部件，在集装箱的起吊、搬运、固定、堆码和栓固作业中都起着关键作用，箱体受到的大部分作用力几乎都是由角件来传递，同时，作为箱体的最外缘，角件还起着保护集装箱体的作用。
目前，随着运输业的发展，进出口贸易量急剧增加，在一些高纬度地区进行集装箱运输的时候，由于气温底下的原因，制成角件的钢材在低温下韧性大大降低，极易发生脆断，存在很大的安全隐患，因此角件的钢材需要能耐低温，有良好的低温冲击韧性，同时还要有足够的强度，以满足集装箱承载力的要求，角件性能的改进主要从两个方面入手，一方面是改进角件材料的成分，另一方面是对热处理工艺的改进，现有的制造工艺难以制造出同时在这几个方面性能均表现优异的集装箱角件。
经检索，中国专利公开号：CN103184390A，公开日：2013年7月3号，公开了一种高强度金属合金以及其制成的角件，该合金按重量百分比由以下成分组成：碳、锰、硅、铬、镍、钼，余量为铁，C：0.1～0.22％、Mn：0.6～1.5％、Si：0.2～1.0％、Cr：0～0.6％、Ni0～0.6％、Mo0.1～1.0％，其余为Fe和不可避免的微量杂质；该角件由上述合金制成，该发明的合金虽然对角件材料的性能进行了改善，但是，该发明的合金中，Mo的配入量较高，而Mo的价格很高，采用此配方进行合金的熔炼，最终制成角件成本很高，同时，没有适合的热处理工艺也难以制成强度和低温韧性同时满足需求的集装箱角件。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中集装箱角件性能不足的问题，本发明提供了一种集装箱角件生产工艺。本工艺通过对集装箱角件生产工艺的改进，使集装箱角件的强度、耐磨性、低温韧性具有了很大的提升。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种集装箱角件生产工艺，包括以下步骤，
一、熔炼：将炼钢材料加入炉中熔炼成钢水；
二、浇铸：将熔炼好的钢水浇铸进生产集装箱角件专用模具中；
三、切削加工：对浇铸好的铸坯进行切削加工，除去冒口，制成集装箱角件形状；
四、热处理：对切削加工后的集装箱角件进行渗碳+淬火+回火热处理工艺；
五、抛丸：对热处理工艺后的集装箱角件进行抛丸操作。
熔炼时，在炉内钢液总量＞90％，进行钢液元素含量的测定，根据测定结果来进行相应的合金元素的添加，以确保最终钢液中合金元素含量的准确；
浇铸时，采用呋喃砂为型砂，具体为原砂100％+1.7～1.8％呋喃树脂(占原砂质量)+35～40％甲苯磺酸固化剂(占呋喃树脂质量)配成的型砂，相比于现有工艺中常采用的水玻璃砂相比，采用呋喃树脂砂所得铸件的尺寸稳定性更好，表面更加光洁，且清砂容易，应注意的是配置芯砂时，呋喃树脂的配入量不易过多，超过1.8％在清砂后，角件的拐角处易出现裂纹，低于1.7％，型砂不能满足造型强度需求，每次熔炼时，浇铸两块试块用于性能的检测；
热处理时，传统工艺采用水淬+高温回火对集装箱角件进行调质处理，采用此种处理方法虽然可以使角件获得较高的强度，但是日常使用过程中吊装、栓固对角件的磨损对角件寿命的影响很大，本申请针对传统热处理工艺进行改进，采用渗碳+淬火+回火工艺，通过表面渗碳，大大提高角件表面的硬度和耐磨性，而角件心部仍保持足够的强度和韧性，在保证角件强度、韧性的同时，增加角件表面的硬度，增加其耐磨性，延长角件的使用寿命，热处理时，试块与该批浇铸件进行同样的热处理工艺；
对热处理后性能合格的集装箱角件进行抛丸喷丸操作。
进一步地，所述渗碳工艺为气体渗碳，渗碳温度920～940℃，渗碳时间220～240min，渗碳后空冷。本申请通过渗碳操作在不影响集装箱角件整体性能的情况下，加强角件表面的硬度和耐磨性，以应对吊装、栓固对角件的磨损，增加角件的使用寿命；本方案采用气体渗碳法，相比于固体渗碳，气体渗碳保温时间更短，生产效率高，且渗碳层的深度和质量易控制，具体操作为，将集装箱角件放入高温炉罐中，加热至920～940℃，向高温炉罐中同时滴加稀释气甲醇和富化气醋酸乙酯控制渗碳气氛的碳势，温度过高或过低会影响渗剂热裂分解出的活性碳原子，影响渗碳效果，同时温度高于940℃会引起奥氏体晶粒粗化，使角件的性能变差，在渗碳气氛下保温220～240min，保温时间影响着渗碳层的深度，为了减少渗碳对集装箱角件其他性能的影响，本方案控制表层含碳量在0.85～0.90％，渗层厚度在0.5～1mm；当渗碳后，集装箱角件在920～940℃保温了220～240min后进行空冷时，集装箱角件心部发生完全奥氏体化加伪共析转变，得到较细的珠光体类组织，心部的强度和硬度均有所提高。
进一步地，渗碳空冷后的集装箱角件加热至890～910℃后进行淬火；淬火工艺采用分级淬火，先淬入温度为370℃的碱浴炉中保温，集装箱角件内外温度均匀后，从碱浴炉中取出，空冷至室温。在渗碳后进行淬火操作可以充分发挥渗碳层的作用，将集装箱角件加热至890～910℃获得奥氏体组织，然后将其淬入370℃的碱浴炉中，使其快速降温，快速通过奥氏体最不稳定的温度区域后，降温至370℃，在碱浴炉中，保温至集装箱角件内外温度均匀后取出，然后进行空冷，集装箱角件最终在内外温度均匀且缓慢冷却的条件下完成马氏体转变，相比于水淬法，本申请的淬火方法减小了热应力，显著降低了组织应力，有效防止集装箱角件淬火变形和开裂，保证了角件的尺寸精度。
进一步地，回火工艺中，回火温度为200～230℃，回火保温时间为60～80min。回火工艺主要用于消除淬火应力，针对集装箱角件需要高强度、高低温韧性的性能，本方案将淬火后的集装箱角件加热至200～230℃进行保温，保持了渗碳表面的高硬度和高耐磨性，同时显著降低了角件的淬火应力和脆性，还减少了内应力，进一步提高了角件的强度和塑性，研究时发现在回火过程中，角件性能变化最剧烈的时间在最初的50min内，超过60min后，性能变化很小，因此本方案控制回火保温时间为60～80min。
进一步地，熔炼步骤中熔炼出的钢水成分按质量百分比记由如下元素组成：0.09～0.15％C，0.96～1.37％Mn，0.32～0.36％Si，0.19～0.26％Ni，0.18～0.21％Cr，0.007～0.015％Al，最多0.015％P，最多0.015％S，最多0.08％Mo，最多0.17％Cu，最多0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。
0.09～0.15％C，C对钢中马氏体的形成起着关键作用，可以显著提高材料的硬度强度，但是随着碳含量的升高，材料的塑性和韧性会降低，同时会影响焊接性能，碳含量过低又难以满足强度的要求，因此本方案将含碳量控制在0.09～0.15％。
0.96～1.37％Mn，Mn可以提高奥氏体的稳定性，提高材料的淬透性，同时增加材料的耐磨性，Mn含量过低得不到所需强度的钢材，大量的Mn会降低材料的焊接性能及低温韧性，因此本方案将含锰量控制在0.96～1.37％。
0.32～0.36％Si，Si起到固溶强化的作用，可有效促进C向奥氏体扩散的作用，对铁素体有显著的净化作用，提高钢中铁素体纯净度，稳定奥氏体组织，含量过高的Si会降低韧性和焊接性能，因此本方案将含硅量控制在0.32～0.36％。
进一步地，Mn/Si＝3.0～3.8，当Mn与Si的添加比例控制在一定范围内时，可以起到复合强化的效果，同时Mn与Si两种元素相互作用可大大减少两种元素添加时对钢材焊接性能及韧性带来的不利影响。
0.19～0.26％Ni，Ni的加入可以显著的改善钢材的低温韧性，是现有的低温韧性钢材中常用的添加元素，可在提高钢的强度的同时，保持良好的塑性和韧性，但是镍是较稀缺的资源，大量的添加会导致生产成本过高，无法在实际生产中运用，因此本方案将含镍量控制在0.19～0.26％。
0.18～0.21％Cr，Cr可以显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性，因此本方案将含铬量控制在0.18～0.21％，本方案中加入Cr主要是用于与Ni相互作用，通过Ni来降低Cr对钢材性能的不良影响。
进一步地，Ni/Cr＝1.00～1.25，一定范围内的Ni与Cr的添加比，可以消除Cr对钢材性能的不良影响，同时，当Ni/Cr＝1.00～1.25时，Cr的加入会促进Ni的韧性提高的效果，使钢材的低温韧性达到高镍添加量时的性能，促进了钢材性能的同时极大地降低了合金成本。
0.007～0.015％Al，在冶炼时，Al元素作为脱氧剂加入到合金材料中，少量铝元素可以细化晶粒，提高冲击韧性，铝元素添加过多会影响材料的焊接性能，因此本方案将含铝量控制在0.007～0.015％。
最多0.015％P，最多0.015％S，P和S是钢材冶炼中的有害元素，会降低晶界的表面能而减少晶界内聚力，是钢材脆性断裂倾向上升，对钢材塑性韧性产生不利影响，因此本方案将含磷量与含硫量均控制在最多0.015％。
最多0.08％Mo，最多0.17％Cu，最多0.01％V，Mo、Cu和V的添加目的主要是对Ni和Cr的作用进行进一步强化，由于Mo、Cu和V的成本较高，因此本方案控制含钼量最多0.08％，含铜量最多0.17％。
进一步地，按质量百分比记，Ni+Cr+Mo+Cu≤0.72％，Ni、Cr、Mo、Cu复合添加虽然可以大大改善钢材的性能，但是会使熔炼成本成倍提高，从经济和对钢材性能提高效果综合考虑，本方案控制Ni、Cr、Mo、Cu的添加量，使Ni+Cr+Mo+Cu≤0.72％。
进一步地，按质量百分比记，C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.04％，由于最终制成的角件是焊接在集装箱主体上的，因此，钢材需要在强度、韧性性能达标的前提下，能同时具有较好的焊接性能，这样可以降低焊接成本，保证焊接强度，碳当量(CE)可以用来评估钢材的焊接性能，当碳当量C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.400％时，钢材具有很好的焊接性能。
进一步地，构成该集装箱角件的合金成分按质量百分比记由如下元素组成：0.12％C，1.12％Mn，0.32％Si，0.25％Ni，0.20％Cr，0.013％Al，0.010％P，0.002％S，0.08％Mo，0.17％Cu，0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。在此成分组成下熔炼所得的合金处理加工后制成的集装箱角件具有最优选的强度及低温韧性性能。对此成分下的碳当量进行计算，得CE＝0.393％＜0.400％，此成分制造而成的角件具有很好的焊接性能。
进一步地，所述熔炼步骤在中频感应炉中进行。中频感应炉由于升温速度快，元素烧损很少，搅拌均匀，冶炼成分很稳定，可以将添加的各元素的性能完美发挥出来。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种集装箱角件生产工艺，对现有的集装箱角件生产工艺进行改进，采用特定配比的呋喃砂为型砂，获得尺寸稳定性更好、表面质量更高的集装箱角件浇铸件，便于后续热处理工艺处理，热处理工艺采用渗碳+淬火+回火工艺，相比于传统集装箱角件热处理工艺，本申请的处理工艺处理后的角件强度、硬度、耐磨性、冲击韧性更高，角件的使用寿命更久；
(2)本发明的一种集装箱角件生产工艺，采用气体渗碳法，相比于固体渗碳，气体渗碳保温时间更短，生产效率高，且渗碳层的深度和质量易控制，渗碳操作后，角件表面的硬度和耐磨性大大提高，使用寿命更久，而角件心部仍保持足够的强度和韧性，同时，集装箱角件在920～940℃保温了220～240min后进行空冷时，发生完全奥氏体化加伪共析转变，得到较细的珠光体类组织，相当于完成了一次正火处理，心部的强度和硬度均有所提高；
(3)本发明的一种集装箱角件生产工艺，采用分级淬火法，相比于水淬，分级淬火可以有效防止集装箱角件淬火变形和开裂，保证了角件尺寸的准确，减小了热应力，显著降低了组织应力；
(4)本发明的一种集装箱角件生产工艺，淬火后采用200～230℃回火，不同于传统的高温回火工艺，本发明的回火工艺可以充分发挥渗碳层的作用，保证角件表面的硬度和耐磨性，同时提高心部的强度和韧性塑性，使角件获得优良的综合性能，本发明的回火工艺保温时间比传统工艺更短，节约了热处理时间，节约成本；
(5)本发明的一种集装箱角件生产工艺，通过对构成集装箱角件的合金成分进行改进，在保证制造成本的前提下，使最终制成的角件的强度、低温韧性均有提高，在寒冷地区使用时的安全性得到保证；
(6)本发明的一种集装箱角件生产工艺，Ni/Cr＝1.00～1.25，通过Cr的适量添加，极大的促进了Ni对钢材低温韧性的提高作用，使得低的Ni添加量冶炼的钢材也能得到和高的Ni添加量冶炼钢材相同的低温韧性性能，极大的降低了钢材的冶炼成本；
(7)本发明的一种集装箱角件生产工艺，Mn/Si＝3.0～3.8，通过Mn和Si的适量配比，是两种添加元素在调整合金性质的同时相互作用，减少Mn和Si钢材性能的不良影响；
(8)本发明的一种集装箱角件生产工艺，按质量百分比记，Ni+Cr+Mo+Cu≤0.72％，由于Ni、Cr、Mo、Cu的添加会使熔炼成本大大增加，本发明控制这几种元素的含量小于0.72％，在保证钢材性能的同时保证了生产成本；
(9)本发明的一种集装箱角件生产工艺，在此成分下，0.12％C，1.12％Mn，0.32％Si，0.25％Ni，0.20％Cr，0.013％Al，0.010％P，0.002％S，0.08％Mo，0.17％Cu，0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质，得到的合金制成的角件具有最好的性能，其强度、低温韧性均能满足低温环境下对集装箱角件的需求，且在此成分下，碳当量为0.393％小于0.400％，制成的角件具有很好的焊接性能，焊接成本低，焊接强度可靠；
(10)本发明的一种集装箱角件生产工艺，熔炼步骤在中频感应炉中进行，熔炼时元素烧损很少，熔炼成分更稳定，保证冶炼时添加的各元素及元素间的效果不受影响，保证最终冶炼钢材的性能。
附图说明
图1为本发明生产工艺流程图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，以下对本发明作详细描述，此时，除非另有说明，各成分的含量均指以质量百分比记。
实施例1
本实施例的一种集装箱角件，构成该集装箱角件的合金成分按质量百分比记由如下元素组成：0.09～0.15％C，0.96～1.37％Mn，0.32～0.36％Si，0.19～0.26％Ni，0.18～0.21％Cr，0.007～0.015％Al，最多0.015％P，最多0.015％S，最多0.08％Mo，最多0.17％Cu，最多0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。具体在本实施例中由如下元素含量组成：0.09％C、0.96％Mn、0.32％Si、0.19％Ni、0.18％Cr、0.007％Al、0.01％P、0.01％S、0.04％Mo、0.10％Cu、0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ni/Cr＝1.06，Mn/Si＝3.0，本实施例的一种集装箱角件，经熔炼、浇注、切削加工后，采用如下热处理工艺处理：
一、渗碳，将集装箱角件放入920℃的高温炉罐中，向高温炉罐中同时滴加稀释气甲醇和富化气醋酸乙酯，持续渗碳220min；
二、淬火，将渗碳处理后的集装箱角件加热至890℃，然后淬入温度为370℃的碱浴炉中至集装箱角件内外温度均匀后取出，空冷至室温；
三、回火，将淬火处理后的集装箱角件回火至200℃，回火保温时间为60min，回火后空冷。
对热处理后的试块进行性能检测，集装箱角件的表面硬度为58HRC，屈服强度为508MPa；抗拉强度为670MPa；在-40℃时低温冲击功为40J。
实施例2
本实施例的一种集装箱角件，构成该集装箱角件的合金成分按质量百分比记由如下元素组成：0.09～0.15％C，0.96～1.37％Mn，0.32～0.36％Si，0.19～0.26％Ni，0.18～0.21％Cr，0.007～0.015％Al，最多0.015％P，最多0.015％S，最多0.08％Mo，最多0.17％Cu，最多0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。具体在本实施例中由如下元素含量组成：0.15％C、1.37％Mn、0.36％Si、0.26％Ni、0.21％Cr、0.015％Al、0.015％P、0.015％S、0.08％Mo、0.17％Cu、0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ni/Cr＝1.24，Mn/Si＝3.8，本实施例的一种集装箱角件，采用如下热处理工艺处理：
一、渗碳，将集装箱角件放入940℃的高温炉罐中，向高温炉罐中同时滴加稀释气甲醇和富化气醋酸乙酯，持续渗碳240min；
二、淬火，将渗碳处理后的集装箱角件加热至910℃，然后淬入温度为370℃的碱浴炉中至集装箱角件内外温度均匀后取出，空冷至室温；
三、回火，将淬火处理后的集装箱角件回火至230℃，回火保温时间为80min，回火后空冷。
对热处理后的试块进行性能检测，集装箱角件的表面硬度为59HRC，屈服强度为512MPa；抗拉强度为660MPa；在-40℃时低温冲击功为42J。
实施例3
本实施例的一种集装箱角件，构成该集装箱角件的合金成分按质量百分比记由如下元素组成：0.09～0.15％C，0.96～1.37％Mn，0.32～0.36％Si，0.19～0.26％Ni，0.18～0.21％Cr，0.007～0.015％Al，最多0.015％P，最多0.015％S，最多0.08％Mo，最多0.17％Cu，最多0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。具体在本实施例中由如下元素含量组成：0.12％C，1.12％Mn，0.32％Si，0.25％Ni，0.20％Cr，0.013％Al，0.010％P，0.002％S，0.08％Mo，0.17％Cu，0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ni/Cr＝1.25，Mn/Si＝3.5，本实施例的一种集装箱角件，采用如下热处理工艺处理：
一、渗碳，将集装箱角件放入930℃的高温炉罐中，向高温炉罐中同时滴加稀释气甲醇和富化气醋酸乙酯，持续渗碳230min；
二、淬火，将渗碳处理后的集装箱角件加热至900℃，然后淬入温度为370℃的碱浴炉中至集装箱角件内外温度均匀后取出，空冷至室温；
三、回火，将淬火处理后的集装箱角件回火至220℃，回火保温时间为75min，回火后空冷。
对热处理后的试块进行性能检测，集装箱角件的表面硬度为62HRC，屈服强度为540MPa；抗拉强度为660MPa；在-40℃时低温冲击功为49J。
综上所述，对不同成分制成的角钢热处理后测定的性能进行对比，当构成该集装箱角件的合金成分按质量百分比记由如下元素组成：0.12％C，1.12％Mn，0.32％Si，0.25％Ni，0.20％Cr，0.013％Al，0.010％P，0.002％S，0.08％Mo，0.17％Cu，0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质，集装箱角件可获得最佳的性能，此方案为本发明的优选方案。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种集装箱角件生产工艺，其特征在于，包括以下步骤，
一、熔炼：将炼钢材料加入炉中熔炼成钢水；
二、浇铸：将熔炼好的钢水浇铸进生产集装箱角件专用模具中，浇铸时，采用原砂100％+占原砂质量1.7～1.8％的呋喃树脂+占呋喃树脂质量35～40％的甲苯磺酸固化剂配成的呋喃砂为型砂；
三、切削加工：对浇铸好的铸坯进行切削加工，除去冒口，制成集装箱角件形状；
四、热处理：对切削加工后的集装箱角件进行渗碳+淬火+回火热处理工艺；
五、抛丸：对热处理工艺后的集装箱角件进行抛丸操作；
所述渗碳工艺为气体渗碳，渗碳温度920～940℃，渗碳时间220～240min，渗碳后空冷；渗碳空冷后的集装箱角件加热至890～910℃后进行淬火；回火工艺中，回火温度为200～230℃，回火保温时间为60～80min。
2.根据权利要求1所述的一种集装箱角件生产工艺，其特征在于：淬火工艺采用分级淬火，先淬入温度为370℃的碱浴炉中保温，集装箱角件内外温度均匀后，从碱浴炉中取出，空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的一种集装箱角件生产工艺，其特征在于，熔炼步骤中熔炼出的钢水成分按质量百分比记由如下元素组成：0.09～0.15％C，0.96～1.37％Mn，0.32～0.36％Si，0.19～0.26％Ni，0.18～0.21％Cr，0.007～0.015％Al，最多0.015％P，最多0.015％S，最多0.08％Mo，最多0.17％Cu，最多0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的一种集装箱角件生产工艺，其特征在于，熔炼步骤中熔炼出的钢水成分按质量百分比记由如下元素组成：0.12％C，1.12％Mn，0.32％Si，0.25％Ni，0.20％Cr，0.013％Al，0.010％P，0.002％S，0.08％Mo，0.17％Cu，0.01％V，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种集装箱角件生产工艺，其特征在于：所述熔炼步骤在中频感应炉中进行。
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