CN110468339A - 一种低温用高强度齿轮箱箱体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温用高强度齿轮箱箱体材料及其制备方法，它包括下述质量百分百比的原料制备而成，其中：含碳量为0.24%~0.32%，含硅量为0.40%~0.70%，含锰量为0.60%~1.00%，含铬量为0.75%~1.10%，含钼量为0.25%~0.35%，含镍量为0.40%~0.65%，含磷量小于等于0.025%，含硫量小于等于0.025%，其余为铁元素。制备方法如下：按质量百分比取原料进行成分配比，之后进行熔炼、浇铸；毛坯铸造后正火处理，正火温度870℃，保温75分钟；正火完成后淬火处理，淬火温度保持在 890‑910℃，油冷，保温时间75分钟；淬火完成后进行回火处理，回火温度保持在240~260℃，回火保温75分钟。最终硬度保持在HRC30左右，该材料在零下20℃环境下的冲击吸收功A KV可达到38J，在零下45℃冲击吸收功A KV可达到27J。最终可得到性能优良的低温用高强度齿轮箱箱体材料。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮箱用低温材料领域，具体说是涉及一种低温用高强度齿轮箱箱体用材料及其制备方法。该材料能够在零下20℃以下具有较高的机械性能，满足高强度齿轮箱箱体的低温性能需求。
背景技术
齿轮箱箱体是安装各传动轴的基础部件；由于齿轮箱工作时各轴传递转矩需要产生比较大的反作用力，并作用在箱体上，因此要求箱体具有足够大的刚度，以确保各传动轴的相对位置精度。齿轮箱箱体大多采用金属结构箱体，这种箱体能获得较大的强度和刚度。齿轮器箱体结构形式繁多，在结构复杂或大批量生产制造时，采用铸造齿轮箱箱体较为合理。
随着石油、天然气开发持续增长的趋势，钻井开采区域不仅包括常规的陆地和海洋，高寒地区的开发力度也在持续增加。为适应环境对设备的需求，钻采设备需要满足低温环境下的优良性能。石油钻机是一组十分复杂的大型成套石油钻采装备，其工作环境有时十分恶劣 ，除用于一般陆地石油、天然气钻井外，还有在沙漠、高寒、高原，沼泽、浅滩和海洋等地带使用的钻机，特别是在严寒环境中。 因此，石油钻机用齿轮箱箱体对于材料的低温冲击性能有严格的要求。此外，材料的低温冲击性能也是结构设计时的重要依据。金属材料在低温的力学性能对装备的服役及安全性均具有重要影响。
顶部驱动钻井装置（简称顶驱）是现代钻井技术的重要发展趋势，其已逐渐成为现代化钻机的标准配置。顶驱钻机可减少钻井的难度，降低钻井风险，提高钻井效率和安全性。顶驱实现了钻机自动化过程的重要跨越，是近代钻井装备的革命性技术成果之一。顶驱设备在高寒环境下工作时，设备本体材料在低温环境下的表现性能面临着新的挑战。齿轮箱是顶驱设备中的关键动力传动件，其箱体是主电机系统和整个传动系统的重要支撑件，也是顶驱设备外露的关键承载部件，顶驱箱体性能的优劣可直接影响着整套钻机系统的运行状态和现场人员的生命安全。因此，低温状态下的顶驱箱体必须满足高强度的性能需求。顶驱齿轮箱箱体用材料的机械性能不仅在常温环境下具有良好表现，在低温条件下也必须具有高水平的性能。在常温环境中，满足齿轮箱箱体性能的金属材料较多，而有些齿轮箱因环境温度较低，往往需要在低温环境中工作。齿轮箱箱体用低温材料是指设计温度低于等于零下20℃的箱体材料。低温工作环境下的齿轮箱箱体需要具有较高的机械性能才能满足其工作需要。在低温环境下使用的箱体材料，易表现出脆性的特点，这种脆性是由于材料的韧脆转变温度高于其工作温度，材料处于脆性状态。发生脆断现象，出现脆断后往往会造成很严重的后果。在低温环境中具有较高机械性能的齿轮箱箱体材料相对较少，市场上比较缺乏这种材料。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中存在的不足之处而提出一种低温用高强度齿轮箱箱体材料及其制备方法。本发明的材料在低温环境下具有优良的机械性能，满足低温环境下高强度齿轮箱箱体对材料的性能需求。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明的低温用高强度齿轮箱箱体材料包括下述质量百分百比的原料制备而成，其中：含碳量为0.24%~0.32%，含硅量为0.40%~0.70%，含锰量为0.60%~1.00%，含铬量为0.75%~1.10%，含钼量为0.25%~0.35%，含镍量为0.40%~0.65%，含磷量小于等于0.025%，含硫量小于等于0.025%，其余为铁元素。
本发明所述箱体材料的方法如下：按质量百分比取原料进行成分配比，配比完成后，进行熔炼、浇铸；毛坯铸造后正火处理，正火温度870℃，保温75分钟；正火完成后淬火处理，淬火温度保持在 890-910℃，油冷，保温时间75分钟；淬火完成后进行回火处理，回火温度保持在240~260℃，回火保温75分钟；最终硬度保持在HRC30的材料。
本发明的有益效果如下：
本发明的材料（代号定为：ZG28CrNiMoA）在常温环境下的机械性能为：抗拉强度R m达到640Mpa，屈服强度σs达到540Mpa，断后延长率A为15%，断面收缩率Z为25%，冲击吸收功A KV可达到42J；低温环境下的力学冲击性能为：在零下20℃环境下的冲击吸收功A KV可达到38J，在零下45℃冲击吸收功A KV可达到27J；低温性能表现完全满足低温高强度齿轮箱箱体的需要。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步描述：
实施例1
按质量百分百分别取：碳0.30%、硅0.60%、锰0.65%、铬1.05%、钼0.31%、镍0.65%、磷0.021%、硫0.022%、铁96.397%。
按上述化学成分配比完成后，进行熔炼工艺；熔炼完成后进行浇铸工艺；铸造后的毛坯进行正火处理，正火温度870℃，保温75分钟；正火完成后淬火处理，淬火温度保持在890-910℃，油冷，保温时间75分钟；淬火完成后进行回火处理，回火温度保持在240~260℃，回火保温75分钟，最终硬度保持在HRC36左右。最终常温抗拉强度R m达到645Mpa，屈服强度σs达到548Mpa，断后延长率A为15%，断面收缩率Z为26%，冲击吸收功A KV可达到43J；低温环境下的力学冲击性能为：在零下20℃环境下的冲击吸收功A KV可达到38J，在零下45℃冲击吸收功A KV可达到28J。
实施例2
按质量百分百分别取：碳0.28%、硅0.50%、锰0.65%、铬0.85%、钼0.28%、镍0.42%、磷0.023%、硫0.022%、铁96.975%。
按上述化学成分配比完成后，进行熔炼工艺；熔炼完成后进行浇铸工艺；铸造后的毛坯进行正火处理，正火温度870℃，保温75分钟；正火完成后淬火处理，淬火温度保持在890-910℃，油冷，保温时间75分钟；淬火完成后进行回火处理，回火温度保持在240~260℃，回火保温75分钟，最终硬度保持在HRC32左右。最终常温抗拉强度R m达到640Mpa，屈服强度σs达到540Mpa，断后延长率A为16%，断面收缩率Z为26%，冲击吸收功A KV可达到42；低温环境下的力学冲击性能为：在零下20℃环境下的冲击吸收功A KV可达到39J，在零下45℃冲击吸收功A KV可达到27J。
实施例3
按质量百分百分别取：碳0.25%、硅0.60%、锰0.78%、铬0.95%、钼0.33%、镍0.60%%、磷0.024%、硫0.025%、铁96.441%。
按上述化学成分配比完成后，进行熔炼工艺；熔炼完成后进行浇铸工艺；铸造后的毛坯进行正火处理，正火温度870℃，保温75分钟；正火完成后淬火处理，淬火温度保持在890-910℃，油冷，保温时间75分钟；淬火完成后进行回火处理，回火温度保持在240~260℃，回火保温75分钟，最终硬度保持在HRC30左右。最终常温抗拉强度R m达到642Mpa，屈服强度σs达到546Mpa，断后延长率A为15%，断面收缩率Z为25%，冲击吸收功A KV可达到43J；低温环境下的力学冲击性能为：在零下20℃环境下的冲击吸收功A KV可达到40J，在零下45℃冲击吸收功A KV可达到27J。
Claims (2)
1.一种低温用高强度齿轮箱箱体材料，其特征在于：它包括下述质量百分百比的原料制备而成，其中：含碳量为0.24%~0.32%，含硅量为0.40%~0.70%，含锰量为0.60%~1.00%，含铬量为0.75%~1.10%，含钼量为0.25%~0.35%，含镍量为0.40%~0.65%，含磷量小于等于0.025%，含硫量小于等于0.025%，其余为铁元素。
2.一种用于制备权利要求书1所述箱体材料的方法，其特征在于：按质量百分比取原料进行成分配比，配比完成后，进行熔炼、浇铸；毛坯铸造后正火处理，正火温度870℃，保温75分钟；正火完成后淬火处理，淬火温度保持在 890-910℃，油冷，保温时间75分钟；淬火完成后进行回火处理，回火温度保持在240~260℃，回火保温75分钟；最终硬度保持在HRC30的材料。
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