CN111394548B - 采煤机大件壳体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采煤机大件壳体制备方法，生产工艺流程为：铸造→正火+回火→喷砂→粗加工→调质→半精及精加工，调质工序中淬火阶段采用以550℃为分界点进行加热保温再加热再保温的阶梯加热，冷却阶段先在PVP介质淬火液中冷却，然后空冷1分钟后再进入PVP介质淬火液中冷却2‑3分钟，工件表面终冷温度达到150℃～200℃且PVP温度≤45℃时结束冷却；回火阶段以250℃为分界点分阶段逐级加热，达到回火温度后保温，出炉后使用PAG介质淬火液冷却。本发明采用常规材料就能制造出所有机械性能参数都满足设计要求的大件壳体，尤其是硬度显著提升，这些大件壳体投入使用后状态良好，寿命明显延长，能替代现有高强度材料壳体。
Description
技术领域
本发明涉及一种大件壳体零件的制备工艺，尤其是采煤机上的摇臂和牵引箱等大部件壳体的制备方法。
背景技术
目前，国内的采煤机大件壳体在使用过程中易发生变形及磨损，导致使用寿命降低，维修及更换严重制约生产，归其原因，是由于其硬度值不足导致的。
国内采煤机大件壳体的材料一般有两种：常规材料ZG25MnNi和高强度材料ZG30CrNiMo。
其中采用常规材料制造大件壳体零件的生产工艺路线为：铸造→热处理(正火+回火)→喷砂→毛坯检验→粗加工→粗加工检验及探伤→涉及水道焊接等焊接工序者进行去应力退火→喷丸→半精及精加工等工序。采用该生产工艺方法获得的壳体韧性较好，但其它机械性能指标尤其是硬度值难以满足表1中的设计要求。按照上述工艺路线生产的壳体实际硬度检测值远小于设计要求的最低值175HB，多数集中在150HB～170HB之间，该硬度值难以应对煤矿的恶劣工况条件，经过使用验证，壳体经常出现磨损、扭曲变形等情况，使用寿命非常短。
表1：ZG25MnNi机械性能指标要求
采用上述高强度材料制造大件壳体零件的生产工艺路线为：铸造→热处理(正火+回火)→喷砂→毛坯检验→粗加工→粗加工检验及探伤→热处理(正火+回火)→喷丸→探伤→涉及水道焊接等焊接工序者需进行去应力退火→喷丸→半精及精加工等工序。采用该生产工艺方法获得的壳体虽然可以得到满足设计要求的、较高的抗拉强度及屈服强度，硬度也可以满足设计要求的最低值200HB的要求，但由于壳体含碳量较高，导致韧性不良，热处理后容易产生应力集中，壳体加工过程中经常会发现裂纹、扭曲变形等异常，经焊补冷却后，又会出现新裂纹，焊接工艺参数极难控制，特别是大修的壳体，经常出现补焊开裂的情况，修复工艺十分繁琐，而且高强度材料壳体的生产成本很高，近似常规材料成本的两倍。
采用上述两种材料和相应工艺路线制造的采煤机大件壳体的实际使用寿命都比较低，维修及更换又严重制约矿方的生产，所以迫切需要研发出一种新的大件壳体制造工艺。
发明内容
本发明旨在提供一种采煤机大件壳体制备方法，采用常规材料就能制造出所有机械性能参数都满足设计要求的大件壳体，尤其是能使硬度显著提升，这些大件壳体投入使用后状态良好，寿命明显延长。
本发明的主要技术方案有：
一种采煤机大件壳体制备方法，原材料仍采用ZG25MnNi，生产工艺流程大致为：铸造→正火加回火→喷砂→粗加工→调质→半精及精加工。
所述调质工序包括淬火阶段和回火阶段，淬火阶段采用阶梯加热，550℃前升温速率≤60℃/h，保温1.5小时±10分钟，从550℃到900℃±20℃的淬火温度升温速率≤100℃/h，保温4小时±10分钟，冷却时在PVP介质淬火液中冷却4-7分钟，然后出炉空冷1-3分钟，再在PVP介质淬火液中冷却2-4分钟，当工件表面终冷温度达到150℃～200℃，且PVP水温≤45℃时结束冷却；回火阶段的装炉温度≤200℃，250℃前升温速率≤60℃/h，到达250℃保温1.5小时±10分钟，从250℃至570℃～590℃的回火温度的升温速率≤100℃/h，保温5-6小时，出炉后使用PAG介质淬火液冷却。
淬火阶段工件装炉状态下应尽量采用多点支撑。
粗加工后应有余量5mm～6mm。
所述调质工序后、半精及精加工工序前还优选进行喷丸工序。
对于涉及带水道的工件，在半精及精加工工序前还应进行水道焊接工序，然后再对水道进行通畅性试验和水压试验。
通畅性试验和水压试验合格后、半精及精加工工序前，进行去应力退火。
去应力退火后、半精及精加工工序前，优选再次进行喷丸处理。
本发明的有益效果是：
本发明的采煤机大件壳体制备方法是针对常规材料ZG25MnNi制定的新的生产工艺，经验证，实施该方法所得到的采煤机大件壳体的机械性能得到普遍提高，特别是工件的硬度明显提高，使得常规材料制成的壳体在一定程度上可以替代现有的高强度材料制成的壳体，避免了使用高强度材料制备壳体的高代价，极大地降低了生产成本，经济效益显著提高，同时又完美地解决了现有采煤机大件壳体容易变形和不耐磨或返修率高的问题。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的工艺流程图；
图2是调质热处理的工艺参数图。
具体实施方式
本发明公开了一种采煤机大件壳体制备方法，原材料采用ZG25MnNi，基础的生产工艺流程为：铸造→正火加回火→喷砂→粗加工→调质→半精及精加工。
其中在粗加工工序之后设置随炉调质工序是本工艺区别于已有工艺的核心所在。经过大量的试验验证，最终确定所述调质工序的较优的具体内容及相关工艺参数如下。
所述调质工序包括淬火阶段和回火阶段。如图2所示，淬火阶段采用阶梯加热，550℃前升温速率≤60℃/h，保温1.5小时±10分钟，从550℃到900℃±20℃的淬火温度升温速率≤100℃/h，保温4小时±10分钟，冷却时在PVP介质淬火液中冷却4-7分钟，然后出炉空冷1-3分钟，再在PVP介质淬火液中冷却2-4分钟，当工件表面终冷温度达到150℃～200℃、且PVP水温≤45℃时结束冷却。
回火阶段的装炉温度≤200℃，250℃前升温速率≤60℃/h，到达250℃保温1.5小时±10分钟，从250℃至570℃～590℃的回火温度的升温速率≤100℃/h，保温5-6小时，出炉后使用PAG介质淬火液冷却。
更优的方案是：
淬火阶段采用阶梯加热，550℃前升温速率≤60℃/h，保温1.5小时±5分钟，从550℃到900℃±10℃的淬火温度升温速率≤100℃/h，保温4小时±10分钟，冷却时先在PVP介质淬火液中冷却5-6分钟，然后出炉空冷1-2分钟，再在PVP介质淬火液中冷却2-3分钟，当工件表面终冷温度达到150℃～200℃，且PVP水温≤45℃时结束冷却。
回火阶段的装炉温度≤200℃，250℃前升温速率≤60℃/h，到达250℃保温1.5小时±5分钟，从250℃至570℃～590℃的回火温度的升温速率≤100℃/h，保温5.5小时±10分钟，出炉后使用PAG介质淬火液冷却。
所述调质工序是提升工件硬度的关键，工件的硬度提高了，相应的耐磨性也就提高了。本发明针对铸钢ZG25MnNi摸索出上述一整套特定的调质工艺，并与其他多工序相结合，不仅实现了大件壳体的材料硬度的提高，其他机械性能也都普通提高，综合效果基本上与现有高强度材料ZG30CrNiMo通过现有工艺制备的壳体相当，甚至因采用本发明的方法制备的壳体不会产生开裂现象，在某种程度上更优于高强度材料ZG30CrNiMo的壳体。
表2是采用本发明的采煤机大件壳体制备方法进行大量实验后得到的采煤机大件的力学性能参数平均值，可以看出相比表1的设计要求机械性能都有了显著提高，硬度可提升为180HB～220HB，多数都在200HB以上，完全可以满足设计要求和使用要求。
表2经调质得到的力学性能
进一步地，淬火阶段工件装炉状态下应垫平，尽量采用多点支撑，以防止产生热变形。
应保证粗加工后还有5mm～6mm余量。
所述调质工序后、半精及精加工工序前还优选进行喷丸工序。
对于涉及带水道结构的工件，在半精加工前还应进行水道焊接工序，然后再对水道进行通畅性试验和水压试验。
通畅性试验和水压试验合格后、半精及精加工工序前，进行去应力退火。
去应力退火后、半精及精加工工序前，优选再次进行喷丸处理，以去除氧化皮。
图1所示是基于所述采煤机大件壳体制备方法的一个较为具体的生产工艺流程的流程图。该流程依次包括铸造-正火加回火-喷砂-毛坯检验-粗加工-粗加工检验及探伤-调质-喷丸、探伤检查-水道焊接-畅通性试验和水压试验-去应力退火-喷丸-半精及精加工。
所有检查、检验和试验都是针对其前道工序的质量检查，需要结果合格才能继续下一个工序，一旦不合格，需要通过补焊达到合格后再进行下一工序。
通过试制壳体验证，经粗加工之后，随炉调质，热处理后组织细化导致壳体有微观收缩，但经划线检验，余量充足，与粗加工后调质之前的余量基本一致，精加工去除余量后测量壳体多处关键部位的硬度，多数均能达到200HB以上。
并且，按照上述工艺路线生产的大件壳体，经探伤后未发现有裂纹、缺陷、扭曲变形等异常，并且所有机械性能参数均可以满足设计要求，经统计，增加调质热处理工序后，工件硬度可以普遍提高到200HB左右。
经矿方使用验证，采用本制备方法生产的大件壳体在矿井下使用状态良好，寿命明显延长，平均可延长至原来的1.5～2倍左右，可见新的工艺路线取得了非常好的预期效果。后续对使用新热处理工艺技术生产的多个壳体的应用情况进行了跟踪，在矿使用未发生异常，后续可广泛推广应用。
不仅如此，采用本发明的制备方法在降低生产成本方面效果非常显著，经济效益可观。单从铸造材料费方面对ZG25MnNi及30CrNiMo材料进行比较，高强度材料的材料费为15.45元/kg，而ZG25MnNi材料为9.55元/kg，以小壳体的重量计算，一个壳体毛坯大概5t，一个壳体大概节约5000×(15.45-9.55)＝29500(元)，以年产量600件计算，可节省材料费大约1770万元，相当于将原生产成本降低了38％，同时还省去了高强度材料ZG30CrNiMo壳体返修时因开裂而造成的昂贵的大修成本。
综上，本发明的采煤机大件壳体制备方法，使得用常规材料便能获得满足使用要求的高强度壳体，解决了采煤机大件壳体容易变形和不耐磨的问题，壳体强度普遍提高，使常规材料壳体在一定程度上可以替代现有的高强度材料壳体，避免了使用高强度材料制备壳体的高代价，降低了生产成本。
Claims (8)
1.一种采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：原材料采用ZG25MnNi，生产工艺流程为：铸造→正火＋回火→喷砂→粗加工→调质→半精及精加工，所述调质工序包括淬火阶段和回火阶段，淬火阶段采用阶梯加热，550℃前升温速率≤60℃/h，保温1.5小时±10分钟，从550℃到900℃±20℃的淬火温度升温速率≤100℃/h，保温4小时±10分钟，冷却时在PVP介质淬火液中冷却4-7分钟，然后出炉空冷1-3分钟，再在PVP介质淬火液中冷却2-4分钟，当工件表面终冷温度达到150℃～200℃，且PVP水温≤45℃时结束冷却；回火阶段的装炉温度≤200℃，250℃前升温速率≤60℃/h，到达250℃保温1.5小时±10分钟，从250℃至570℃～590℃的回火温度的升温速率≤100℃/h，保温5-6小时，出炉后使用PAG介质淬火液冷却。
2.如权利要求1所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：淬火阶段工件装炉状态下应多点支撑。
3.如权利要求2所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：粗加工后应有余量5mm～6mm。
4.如权利要求3所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：所述调质工序后、半精及精加工工序前还进行喷丸工序。
5.如权利要求4所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：对于涉及带水道结构的工件，在半精加工工序前还需进行水道焊接工序，然后再对水道进行通畅性试验和水压试验。
6.如权利要求5所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：通畅性试验和水压试验合格后、半精及精加工工序前，应进行去应力退火。
7.如权利要求6所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：去应力退火后、半精及精加工工序前，再次进行喷丸处理。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6和7中任意一项权利要求所述的采煤机大件壳体制备方法，其特征在于：淬火阶段采用阶梯加热，550℃前升温速率≤60℃/h，保温1.5小时±5分钟，从550℃到900℃±10℃的淬火温度升温速率≤100℃/h，保温4小时±10分钟，冷却时先在PVP介质淬火液中冷却5-6分钟，然后出炉空冷1-2分钟，再在PVP介质淬火液中冷却2-3分钟，当工件表面终冷温度达到150℃～200℃，且PVP水温≤45℃时结束冷却；回火阶段的装炉温度≤200℃，250℃前升温速率≤60℃/h，到达250℃保温1.5小时±5分钟，从250℃至570℃～590℃的回火温度的升温速率≤100℃/h，保温5.5小时±10分钟，出炉后使用PAG介质淬火液冷却。
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