CN110629122B - 一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，由以下质量百分数的成分组成：C 0.22％～0.28％，Si 0.4％～0.6％，Mn 1.2％～1.5％，Cr 0.4％～0.6％，Ni 0.6％～0.8％，Mo 0.2％～0.3％，V 0.05％～0.10％，Nb 0.03％～0.06％，P小于0.02％，S小于0.015％，余量为Fe；本发明还公开了一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的制备工艺，采用LF精炼得铸钢坯体后进行热处理。本发明通过调节各成分的组成及含量，使碳钢材料具有高强度、良好的塑韧性和焊接性能，适用于采煤机摇臂壳体；本发明采用LF精炼结合热处理，有效提高组织均匀性，消除铸造应力。

Description

一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料及其制备工艺
技术领域
本发明属于铸钢材料技术领域，具体涉及一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料及其制备工艺。
背景技术
采煤机摇臂是采煤机截割煤炭的关键部件，其质量的可靠性直接影响整个机组的工作效率。采煤机摇臂故障主要是摇臂壳体磨损、安装孔变形磨损及齿轮轴承损坏。摇臂体积大、自身重量大、承载力大，从近几年大采高采煤机摇臂壳体矿方反馈和摇臂大修情况得知，摇臂壳体强度不足，不耐磨是导致摇臂连接孔、安装孔变形从而引起摇臂壳体可靠性降低的主要因素。摇臂壳体的结构复杂，壁厚不均匀，目前国内外均采用铸钢材料制备摇臂壳体。对铸钢件，需要对铸后气孔微裂纹等缺陷进行焊接，而壳体内腔设置水道及水道盖板等也少不了焊接工序，因此，摇臂壳体不仅要有较高的强度，一定的耐磨性，同时较好的焊接性能也是必须的。因此，研究制造一种低碳合金钢材料是较好的选择途径，尤其是精选一种能够通过调质提高强度的低碳合金铸钢，使其在保证足够强度的条件下，具有一定塑韧性及良好的焊接性能是我们研究的主要目标。
目前，国内摇臂使用的材料大部分是传统的ZG25Mn，ZG25Mn2等，虽然有报道研制了具有较高强度的合金铸钢材料，其抗拉强度最高可达850MPa～900MPa，屈服强度可达700MPa～750MPa，但仍然不能满足更高煤层或更薄煤层采掘的使用性能要求，而且，报道的合金铸钢成分焊接碳当量已超过0.8％，焊接性能太差，不足以满足高端采煤机生产要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料。该铸钢材料利用多元合金元素的综合作用，通过调节碳钢材料中各成分的组成及含量，使得碳钢材料的强度大大提高，并具有良好的塑韧性，同时改善了碳钢材料的焊接性能，满足了大采高及薄煤层采煤机摇臂壳体的性能需求。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C0.22％～0.28％，Si 0.4％～0.6％，Mn 1.2％～1.5％，Cr 0.4％～0.6％，Ni0.6％～0.8％，Mo 0.2％～0.3％，V 0.05％～0.10％，Nb 0.03％～0.06％，P小于0.02％，S小于0.015％，余量为Fe；所述铸钢材料的抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于750MPa，延伸率大于14％，断面收缩率大于30％，冲击韧性大于35J/cm2。
本发明在铸造低碳硅锰钢的基础上进行改进，首先通过增加C量至0.22％～0.28％，提高了铸钢材料的强度及淬透性能；通过加入0.4％～0.6％的Si，使Si完全溶入铁素体或奥氏体中，提高了铸钢材料的强度和耐磨性，同时提高了铸钢材料的韧性，降低缺口敏感性；同时将Mn调节为1.2％～1.5％，该含量的Mn可改善钢的淬透性并降低相变温度和细化晶粒，Mn大部分溶于铁素体中，有效提高了铸钢材料的强度和耐磨性，并且Mn增加了添加的Nb成分的溶解度；通过加入0.4％～0.6％的Cr细化晶粒，进一步提高铸钢材料的强度和淬透性；通过加入0.2％～0.3％的强碳化物元素Mo，进一步细化铸钢材料的晶粒度，同时起到二次硬化的作用，更一步提高了碳钢材料的强度和淬透性；通过加入0.6％～0.8％的Ni，提高了碳钢材料的塑韧性；加入0.03％～0.06％的Nb和0.05％～0.10％的V，起到细化晶粒的作用，同时增强了碳钢材料的强度和塑性，上述碳钢材料中各成分共同作用，有效提高了碳钢材料的强度及塑韧性和淬透性。另外，依据国际焊接协会焊接碳当量公式：焊接碳当量％＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，本发明碳钢材料的焊接碳当量为0.58～0.78，低于目前报道的碳钢材料的焊接碳当量0.81，因此本发明的碳钢材料具有良好的焊接性能。
本发明的碳钢材料制备成采煤机摇臂壳体后的铸件补焊、以及后续焊接水道管和水道盖板等时，只需采用直径1.2mm的ER120S-G焊丝，在局部温度为250℃～280℃的条件下进行气体保护焊接即可，该焊接工艺简单易行。
上述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.26％，Si 0.52％，Mn 1.3％，Cr 0.4％，Ni 0.76％，Mo 0.3％，V 0.09％，Nb0.06％，P 0.01％，S 0.006％，余量为Fe。
上述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.28％，Si 0.52％，Mn 1.33％，Cr 0.58％，Ni 0.8％，Mo 0.2％，V 0.08％，Nb0.04％，P 0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
上述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.22％，Si 0.6％，Mn 1.5％，Cr 0.6％，Ni 0.6％，Mo 0.3％，V 0.10％，Nb0.04％，P 0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
上述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.25％，Si 0.4％，Mn 1.2％，Cr 0.4％，Ni 0.8％，Mo 0.25％，V 0.05％，Nb0.03％，P 0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
另外，本发明还提供了一种制备高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、按照目标产物铸钢材料的设计成分进行选料和配料，得到混合物料，然后进行LF精炼，铸造成型后得到铸钢坯体；
步骤二、将步骤二中得到的铸钢坯体进行均匀化退火，然后依次进行预热处理；所述预热处理依次包括正火和高温回火；
步骤三、将步骤二中经预热处理后的铸钢坯体进行粗加工，然后进行调质热处理，得到铸钢材料；所述调质热处理依次包括淬火和高温回火。
本发明根据铸钢材料的设计成分进行选料和配料，然后采用LF精炼法(即钢包精炼法)进行精炼，通过钢液精炼实现了钢水洁净化、夹杂物的形态控制、偏析控制的最优化，并同时进行微合金化和成分微调，保证了对铸钢材料中各合金成分的精确控制；本发明对铸钢坯体进行均匀化退火处理，有效消除了化学成分偏析和杂质偏析，提高了铸钢材料的组织均匀性，同时避免了铸态组织的出现，减少了铸造过程中的压力；然后进行预热处理，通过正火进一步细化晶粒，均匀组织，进一步减少铸造应力，再通过高温回火进一步稳定组织，减少铸造及热处理应力，为后续调质做好组织准备；最后经粗加工去除铸钢坯体表面的氧化脱碳层后进行调质热处理，先淬火再进行高温回火，提高了铸钢材料的硬度；本发明通过采用LF精炼和均匀化退火、预热处理、调质热处理这三种热处理工序，使铸钢材料获得高强度及良好的塑韧性，且综合机械性能优良，同时焊接性能良好，使其适合应用于大采高及薄煤层采煤机摇臂壳体。
上述的工艺，其特征在于，步骤二中所述均匀化退火在箱式电炉中进行，所述均匀化退火的过程为：加热至910℃～930℃后保温6h～8h，然后随炉冷却至250℃以下再出炉冷却。该优选过程有利于均匀化退火的完全进行，进一步消除了化学成分偏析和杂质偏析。
上述的工艺，其特征在于，步骤二中所述正火在电炉中进行，所述正火的过程为：加热至900℃～920℃后保温3h～4h，然后出炉并采用风机冷却；所述高温回火的过程为：加热至670℃后保温6h～8h，然后出炉空冷。该优选正火过程有利于充分细化晶粒，该优选高温回火过程有利于充分稳定组织，进一步减少铸造及热处理应力。
上述的工艺，其特征在于，步骤三中所述淬火的具体过程为：加热至880℃～900℃后保温3h～4h，然后放置于水基基质中冷却淬火，并冷却至室温；所述高温回火的过程为：将冷却至室温的经粗加工后的铸钢坯体加热至620℃～650℃后保温4h～5h。该优选淬火过程保证了铸钢坯体被加热透彻，结合该优选高温回火过程，强化了调质处理效果，进一步提高了铸钢材料的硬度，使其满足使用需求。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在铸造低碳硅锰钢的基础上进行改进，利用多元合金元素的综合作用，通过调节碳钢材料中各成分的组成及含量，使得碳钢材料的强度大大提高，并具有良好的塑韧性，同时改善了碳钢材料的焊接性能，满足了大采高及薄煤层采煤机摇臂壳体的性能需求。
2、本发明采用LF精炼法，减少了铸钢材料中的偏析，提高了铸钢材料的成分精确性和洁净性，然后通过均匀化退火、预热处理、调质热处理的热处理工序，有效细化晶粒，提高组织均匀性，消除铸造应力，使铸钢材料具有高强度、良好的塑韧性及焊接性能，适合应用于大采高及薄煤层采煤机摇臂壳体。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明进行性能检测的取样位置图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料由以下质量百分数的成分组成：C0.26％，Si 0.52％，Mn 1.3％，Cr 0.4％，Ni 0.76％，Mo 0.3％，V 0.09％，Nb 0.06％，P0.01％，S 0.006％，余量为Fe。
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、按照目标产物铸钢材料的设计成分进行选料和配料，得到混合物料，然后进行LF精炼，铸造成型后得到铸钢棒坯；
步骤二、将步骤二中得到的铸钢棒坯放置于箱式电炉中进行均匀化退火，然后依次进行预热处理；所述均匀化退火的过程为：加热至920℃后保温8h，然后随炉冷却至250℃以下再出炉冷却；所述预热处理依次包括正火和高温回火，所述正火的过程为：放置于电炉中加热至910℃后保温3.5h，然后出炉并采用风机冷却；所述高温回火的过程为：加热至670℃后保温8h，然后出炉空冷；
步骤三、将步骤二中经预热处理后的铸钢棒坯进行粗加工去除表面氧化脱碳层，然后进行调质热处理，得到尺寸为70mm×200mm(直径×长度)的铸钢棒材；所述调质热处理依次包括淬火和高温回火；所述淬火的具体过程为：加热至900℃后保温3.5h，然后放置于水基基质中冷却淬火，并冷却至室温；所述高温回火的过程为：将冷却至室温的经粗加工后的铸钢棒坯加热至630℃后保温4h。
实施例2
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料由以下质量百分数的成分组成：C0.28％，Si 0.52％，Mn 1.33％，Cr 0.58％，Ni 0.8％，Mo 0.2％，V 0.08％，Nb 0.04％，P0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、按照目标产物铸钢材料的设计成分进行选料和配料，得到混合物料，然后进行LF精炼，铸造成型后得到铸钢棒坯；
步骤二、将步骤二中得到的铸钢棒坯放置于箱式电炉中进行均匀化退火，然后依次进行预热处理；所述均匀化退火的过程为：加热至910℃后保温7h，然后随炉冷却至250℃以下再出炉冷却；所述预热处理依次包括正火和高温回火，所述正火的过程为：放置于电炉中加热至900℃后保温4h，然后出炉并采用风机冷却；所述高温回火的过程为：加热至670℃后保温6h，然后出炉空冷；
步骤三、将步骤二中经预热处理后的铸钢棒坯进行粗加工去除表面氧化脱碳层，然后进行调质热处理，得到尺寸为70mm×200mm(直径×长度)的铸钢棒材；所述调质热处理依次包括淬火和高温回火；所述淬火的具体过程为：加热至900℃后保温3h，然后放置于水基基质中冷却淬火，并冷却至室温；所述高温回火的过程为：将冷却至室温的经粗加工后的铸钢棒坯加热至620℃后保温4.5h。
实施例3
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料由以下质量百分数的成分组成：C0.22％，Si 0.6％，Mn 1.5％，Cr 0.6％，Ni 0.6％，Mo 0.3％，V 0.10％，Nb 0.04％，P0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、按照目标产物铸钢材料的设计成分进行选料和配料，得到混合物料，然后进行LF精炼，铸造成型后得到铸钢棒坯；
步骤二、将步骤二中得到的铸钢棒坯放置于箱式电炉中进行均匀化退火，然后依次进行预热处理；所述均匀化退火的过程为：加热至930℃后保温8h，然后随炉冷却至250℃以下再出炉冷却；所述预热处理依次包括正火和高温回火，所述正火的过程为：放置于电炉中加热至920℃后保温3h，然后出炉并采用风机冷却；所述高温回火的过程为：加热至670℃后保温6h，然后出炉空冷
步骤三、将步骤二中经预热处理后的铸钢棒坯进行粗加工去除表面氧化脱碳层，然后进行调质热处理，得到尺寸为70mm×200mm(直径×长度)的铸钢棒材；所述调质热处理依次包括淬火和高温回火；所述淬火的具体过程为：加热至880℃后保温4h，然后放置于水基基质中冷却淬火，并冷却至室温；所述高温回火的过程为：将冷却至室温的经粗加工后的铸钢棒坯加热至620℃后保温4h。
实施例4
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料由以下质量百分数的成分组成：C0.25％，Si 0.4％，Mn 1.2％，Cr 0.4％，Ni 0.8％，Mo 0.25％，V 0.05％，Nb 0.03％，P0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
本实施例的高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、按照目标产物铸钢材料的设计成分进行选料和配料，得到混合物料，然后进行LF精炼，铸造成型后得到铸钢棒坯；
步骤二、将步骤二中得到的铸钢棒坯放置于箱式电炉中进行均匀化退火，然后依次进行预热处理；所述均匀化退火的过程为：加热至930℃后保温6h，然后随炉冷却至250℃以下再出炉冷却；所述预热处理依次包括正火和高温回火，所述正火的过程为：放置于电炉中加热至920℃后保温4h，然后出炉并采用风机冷却；所述高温回火的过程为：加热至670℃后保温7h，然后出炉空冷；
步骤三、将步骤二中经预热处理后的铸钢棒坯进行粗加工去除表面氧化脱碳层，然后进行调质热处理，得到尺寸为70mm×200mm(直径×长度)的铸钢棒材；所述调质热处理依次包括淬火和高温回火；所述淬火的具体过程为：加热至890℃后保温3h，然后放置于水基基质中冷却淬火，并冷却至室温；所述高温回火的过程为：将冷却至室温的经粗加工后的铸钢棒坯加热至630℃后保温5h。
对本发明实施例1～实施例4制备的经预热处理后的铸钢棒坯和铸钢棒材进行取样，取样方法的具体过程如图1所示：经预热处理后的铸钢棒坯或铸钢棒材的直径为D，长度为L，根据GB/T2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，首先将经预热处理后的铸钢棒坯或铸钢棒材纵切面上至中心线距离的1/2处分别确定为冲击试样毛坯和拉伸试样毛坯的中心线，然后以冲击试样毛坯的中心线为中心切割得到边长B0＝10.4mm、长度为L的方棒(如图中左边阴影部分所示)，沿方棒的长度L′方向三等分，得到3个冲击试样毛坯，即冲击试样毛坯1、冲击试样毛坯2和冲击试样毛坯3，再以拉伸试样毛坯的中心线为中心切割得到1个直径D0＝22mm、长度为L的圆棒(如图中右边阴影部分所示)，即拉伸试样毛坯4，再将3个冲击试样毛坯和1个拉伸试样毛坯4分别加工成3个标准冲击试样(边长为10mm、长度为L′/3的方棒)和1个标准拉伸试样(直径为20mm、长度为L的方棒)，并依据GB/T228-2010《金属拉伸试验方法》和GB/T229-2007《金属夏比缺口冲击试验方法》分别对其性能进行检测，结果如下表1和下表2所示。
表1本发明实施例1～实施例4制备的经预热处理后的铸钢棒坯性能检测结果
Figure BDA0002261698180000091
表1中的冲击韧性为3个标准冲击试样检测结果的平均值。
表2本发明实施例1～实施例4制备的铸钢棒材性能检测结果
Figure BDA0002261698180000092
Figure BDA0002261698180000101
表2中的冲击韧性为3个标准冲击试样检测结果的平均值。
将表1和表2进行比较可知，本发明实施例1～实施例4中经调质热处理后得到的铸钢棒材的性能指标均优于对应经预热处理后的铸钢棒坯性能指标，说明本发明依次采用均匀化退火、预热处理和调质热处理的热处理工序，有效细化了晶粒，提高组织均匀性，使铸钢材料获得高强度及良好的塑韧性，且综合机械性能优良，使其适合应用于大采高及薄煤层采煤机摇臂壳体。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.22％～0.28％，Si 0.4％～0.6％，Mn 1.2％～1.5％，Cr 0.4％～0.6％，Ni 0.6％～0.8％，Mo 0.2％～0.3％，V 0.05％～0.10％，Nb 0.03％～0.06％，P小于0.02％，S小于0.015％，余量为Fe；所述铸钢材料的抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于750MPa，延伸率大于14％，断面收缩率大于30％，冲击韧性大于35J/cm2；所述铸钢材料的焊接碳当量为0.58～0.78。
2.根据权利要求1所述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.26％，Si 0.52％，Mn 1.3％，Cr 0.4％，Ni 0.76％，Mo 0.3％，V0.09％，Nb 0.06％，P 0.01％，S 0.006％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.28％，Si 0.52％，Mn 1.33％，Cr 0.58％，Ni 0.8％，Mo 0.2％，V0.08％，Nb 0.04％，P 0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.22％，Si 0.6％，Mn 1.5％，Cr 0.6％，Ni 0.6％，Mo 0.3％，V0.10％，Nb 0.04％，P 0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
5.据权利要求1所述的一种高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：C 0.25％，Si 0.4％，Mn 1.2％，Cr 0.4％，Ni 0.8％，Mo 0.25％，V0.05％，Nb 0.03％，P 0.013％，S 0.009％，余量为Fe。
6.一种制备如权利要求1～5中任一权利要求所述高强度采煤机摇臂壳体铸钢材料的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、按照目标产物铸钢材料的设计成分进行选料和配料，得到混合物料，然后进行LF精炼，铸造成型后得到铸钢坯体；
步骤二、将步骤二中得到的铸钢坯体进行均匀化退火，然后依次进行预热处理；所述预热处理依次包括正火和高温回火；
步骤三、将步骤二中经预热处理后的铸钢坯体进行粗加工，然后进行调质热处理，得到铸钢材料；所述调质热处理依次包括淬火和高温回火。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，步骤二中所述均匀化退火在箱式电炉中进行，所述均匀化退火的过程为：加热至910℃～930℃后保温6h～8h，然后随炉冷却至250℃以下再出炉冷却。
8.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，步骤二中所述正火在电炉中进行，所述正火的过程为：加热至900℃～920℃后保温3h～4h，然后出炉并采用风机冷却；所述高温回火的过程为：加热至670℃后保温6h～8h，然后出炉空冷。
9.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，步骤三中所述淬火的具体过程为：加热至880℃～900℃后保温3h～4h，然后放置于水基基质中冷却淬火，并冷却至室温；所述高温回火的过程为：将冷却至室温的经粗加工后的铸钢坯体加热至620℃～650℃后保温4h～5h。
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