CN111822675B - 一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，外层采用稀土耐磨合金钢浇注，内层采用低碳合金钢浇注；稀土耐磨合金钢中各组分配比如下：C:0.28‑0.34wt％,Cr:1.20‑1.50wt％，Mn:1.20‑1.50wt％，Si:0.80‑1.20wt％，Ti:0.06‑0.12wt％，La:0.03‑0.06wt％，S:0‑0.025wt％，P:0‑0.025wt％，余量为Fe；低碳合金钢各组分配比如下：C:0.18‑0.24wt％,Si:0.17‑0.37wt％，Mn:0.50‑0.80wt％，Cr:0.70‑1.00wt％，余量为Fe。通过在耐磨合金钢中加入稀土，优化稀土耐磨合金钢各组分配比，破岩滚刀刀壳硬度提高的同时，冲击功由现有耐磨合金钢110J提高到130J以上，提升了刀壳硬度和耐磨性。

Description

一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺

技术领域

本发明涉及破岩滚刀刀壳铸造技术领域。具体地说是一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺。

背景技术

竖井钻机是电站、矿井等工程施工用的凿孔机械，通过破岩滚刀对岩石进行破碎向地下钻孔，镶齿破岩滚刀是其关键部件，滚刀失效通常是滚刀刀壳被磨损出现沟槽，导致刀体脱落。因材料耐磨性差，导致镶齿破岩滚刀在较短时间内损坏，造成钻井过程中频繁更换滚刀，这就给材料选择、制造方法提高了要求。

现有技术中的镶齿破岩滚刀采用高锰钢整体锻造，经过表面渗碳、热处理等复杂工艺才能制成破岩滚刀刀壳，其成本较高。由于镶齿破岩滚刀需要在滚刀刀壳外部镶嵌刀头，因此需要整个材料的硬度要控制在可加工性的基础上尽可能的高。

钻井过程中滚刀刀齿在冲击载荷下需要具有一定的强度，又要耐磨，以抵抗磨粒磨损，而齿根和心部则要求韧性、强度等综合性能，才能抵抗剪切岩石时的弯曲应力和冲击。如果刀体材料不能适应交替应力状态下的磨料磨损，即便齿面堆焊耐磨材料，由于没有高强度的基体支持，而产生脆性剥离，使得磨损加速。

滚刀刀壳是支撑破岩的基体，刀齿是按一定的规律布置在刀壳上。滚刀工作时，刀齿将把复杂的变应力传递给刀壳，要求刀壳具有合理的结构、足够的强韧性及耐磨性以防岩渣磨蚀。若洗井效果不好，岩渣重复破损，容易造成刀壳的磨损，若滚刀刀壳存在铸造缺陷，长时间工作或者出现事故时，如钻头高处坠落或井底存在金属落物，造成刀壳受冲击作用开裂、掉块，从而造成密封失效或滚刀解体。

钻机在工作时，镶在滚刀上的硬质合金刀齿接触岩石时，承受着周期性的正压力、剪切力和冲击载荷的作用，当滚刀转动个角度，脱离岩石时处于非工作状态。因此，合金刀齿承受着反复正压抗力和剪切抗力等交变周期性疲劳载荷的作用。

镶齿滚刀作用于岩石，开始时符合载荷作用下半无限体平面理论，然后在滚刀下方岩体内首先产生剪切错动，随后出现粉碎体，此时应力分布不再遵守弹性理论，粉碎体在滚刀作用下压实、储能、成为密实核。滚刀上的载荷通过密实核传给周围未破坏岩体，使包围它的岩石在切向方向上产生拉应力，产生径向裂纹并扩展，在粉碎体楔入的协助下，裂纹迅速扩展至自由表面，形成断裂体，移去岩屑即出现破碎沟槽。

在镶齿滚刀破岩过程中，刀壳磨损的主要原因有以下三个主要方面，一是因为岩石、岩体的不均匀性，会出现某区域不易破碎的情况，如果这个位置与滚刀刀齿相错开，则刀壳将直接接触岩石，并与岩石发生挤压，出现磨损。二是掉落的岩石碎屑、块状岩石，会与刀壳之间发生摩擦甚至是撞击，刀壳出现了碎屑会和刀壳之间产生摩擦，对刀壳产生刮削作用，和疲劳撞击作用，致使刀壳出现磨损。三是滑落的岩块停留在钻头上，未能依靠重力滑落，而滑落块较大、较重时，会卡在滚刀之间，滚刀会对这样的岩石进行反复破碎，但同时滚刀刀壳也会受到摩擦进而磨损。第一种为偶发，但其对刀壳的磨损作用力大，磨损程度高，危害更为严重。第二种与岩石硬度属性，和岩石的石英含量为正相关。第三种与岩体完整性，构成岩体的岩石的几何尺度相关。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，提高破岩滚刀刀壳的强度及耐磨性能。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，外层采用稀土耐磨合金钢浇注，内层采用低碳合金钢浇注；稀土耐磨合金钢中各组分配比如下：C:0.28-0.34wt％,Cr:1.20-1.50wt％，Mn:1.20-1.50wt％，Si:0.80-1.20wt％，Ti:0.06-0.12wt％，La:0.03-0.06wt％，S:0-0.025wt％，P:0-0.025wt％，余量为Fe；低碳合金钢各组分配比如下：C:0.18-0.24wt％,Si:0.17-0.37wt％，Mn:0.50-0.80wt％，Cr:0.70-1.00wt％，余量为Fe。

上述稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，稀土耐磨合金钢中各组分配比如下：C:0.32wt％,Cr:1.39wt％，Mn:1.33wt％，Si:0.81wt％，Ti:0.11wt％，La:0.05wt％，S:0.017wt％，P:0.021wt％，余量为Fe；低碳合金钢各组分配比如下：C:0.21wt％,Si:0.19wt％，Mn:0.67wt％，Cr:0.93wt％，余量为Fe。

上述稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，外层稀土耐磨合金钢浇注温度为1600-1630℃，内层低碳合金钢浇注温度为1560-1580℃。

上述稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，外层稀土耐磨合金钢浇注时：布型时间小于或等于10s，浇注时间为40-50s。

上述稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，外层稀土耐磨合金钢浇注之后，其内表面温度降低至1270-1290℃时再浇注内层低碳合金钢。

上述稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，内层低碳合金钢浇注时：布型时离心机转速为350r/min，逐渐加快至浇注完毕时离心机转速为900r/min。

上述稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，破岩滚刀刀壳铸件热处理工艺如下：

退火工艺：随炉1.0-1.5h升温至820℃-860℃，保温1.5-2.5h，随炉冷却至680℃，保温1.5-2.5h，随炉冷却至550℃时取出空冷至室温；

淬火工艺：随炉1-2h升温至800℃-840℃，保温0.5-1h，10-30min急速升温至900-1000℃，保温1.5-2.5h，出炉后油淬；

回火工艺：2-3h升温至240℃-260℃，保温4-6h，随炉空冷降温至室温。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

1、稀土的净化作用和对耐磨钢的强化作用充分发挥，对于添加稀土的耐磨钢提高了铸造破岩滚刀刀壳的耐磨性能，延长了滚刀寿命。

2、实现了添加稀土的耐磨钢破岩滚刀刀壳的离心铸造，采用成型模具，金属液在离心力下凝固，组织细密，减小了后续的加工量。

3、提供了稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，实现了在能够进行后续加工的情况下，尽可能高的提高滚刀刀壳的耐磨性，达到了最优的组合。

4、通过在耐磨合金钢中加入稀土，优化稀土耐磨合金钢各组分配比，破岩滚刀刀壳硬度提高的同时，冲击功由现有耐磨合金钢110J提高到130J以上，实现了提升产品硬度和耐磨性。该硬度对于加工是在可承受范围，能够实现在满足加工性的前提下提升产品硬度、耐磨性。

5、碳在稀土耐磨合金钢中，起到决定马氏体硬度的作用。若钢中的含碳量大于0.4％,钢中针状马氏体的数量将增多，其硬度高，但韧性较差。如含碳量小于0.28％时，得到的组织基本为板条状马氏体，具有较好的冲击韧性。含碳量再降低，则由于硬度损失较多，对耐磨性也不利。所以，将含碳量控制在0.3％左右。

铬的作用是提高钢基合金的强度和硬度，提高钢在高温时的机械性能，并使钢有良好的抗腐蚀性和抗氧化性。铬也可提高钢的渗透性。但加入过多的铬，会促使钢中碳石墨化和脱碳，并会显著提高钢的脆性转变温度和提高钢的回火脆性，故将其比例控制在1.2～1.5％为宜。

锰在耐磨钢中的作用，是为了强化铁素体和增加钢的渗透性。但当含锰量大于2.0％后，会降低钢的韧性，故材料中控制在1.5％以下。

硅加入耐磨铸钢中，除了强化铁素体，提高屈服强度比以外，更重要的是为了提高临界点和提高回火稳定性。硅可显著的减慢回火马氏体在200℃时的分解速度，硅的加入可在回火后为钢基合金中保留更多的马氏体。但是为了不降低钢的韧性，其含量不能过高，需控制在1.3％以下。

钢加入少量的钛，可以固定碳和氮，从而抑制在高温时，奥氏体晶粒的长大。从而提高淬火的加热温度。如含量过高，易形成氮化钛的夹杂，将对材料韧性带来不利影响，钛含量应控制在0.12％以下。

稀土La在耐磨钢中，主要表现为细化马氏体晶体颗粒，克服钢中夹杂物的各向异性，并能表现为稀土影响钢的相变过程，改变相变产物的组成与结构，从而使钢的疲劳性能和耐腐蚀性能变好，提高钢的显微硬度，稀土La量控制在0.03～0.06％。

附图说明

图1破岩滚刀刀壳的结构示意图。

图2破岩滚刀刀壳离心铸造毛坯示意图。

图中附图标记表示为：1-外层稀土耐磨合金钢；2-内层低碳合金钢。

具体实施方式

本实施例稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，包括如下步骤：

(1)造型：采用壳铸法，在造型机上，用70-140目单独配制的耐高温、高强硬度的覆膜砂，并根据设计尺寸相应的模具制作出型壳。

(2)修壳：对压制的型壳进行整修，去除飞边、毛刺。

(3)刷涂料：对所有与钢水的接触面进行均匀喷刷耐高温锆英涂料。

(4)模壳组装：将涂料干燥后的型壳装进离心机模具中，最外层垫上2-3层预留浇注孔的石棉板，最后将离心机模具的外端盖压紧并销好钢销。

(5)熔炼钢水：一炉熔炼稀土耐磨合金钢，稀土耐磨合金钢中各组分配比如下：C:0.32wt％,Cr:1.39wt％，Mn:1.33wt％，Si:0.81wt％，Ti:0.11wt％，La:0.05wt％，S:0.017wt％，P:0.021wt％，余量为Fe；另一炉熔炼低碳合金钢，低碳合金钢各组分配比如下：C:0.21wt％,Si:0.19wt％，Mn:0.67wt％，Cr:0.93wt％，余量为Fe。

(6)冶炼：将所需重量的合金铁水倒入预先加入脱氧剂、精炼剂和脱硫剂的浇包内，浇包提前预热在130℃，包内打渣一次，至钢水目测无杂质上浮。

(7)浇注：首先浇注外层稀土耐磨合金钢，外层稀土耐磨合金钢浇注温度为1620℃，外层稀土耐磨合金钢浇注时：布型时间10s，浇注时间为50s。外层稀土耐磨合金钢浇注时：先快速大流量浇注，布满铸型后减小流量，同时提升离心转子转速，控制凝固速度，以保证凝固层得到后续浇入金属液的及时补缩。若后期浇注过快，刀壳内表面就可能提前凝固，铸钢件内易产生缩孔缺陷。浇注时间不要太短，以确保外层耐磨钢由外到内顺序凝固，因此布型时间控制在10s，后续浇注时间为50s。

外层稀土耐磨合金钢浇注之后，其内表面温度降低至1280℃时再浇注内层低碳合金钢。然后浇注内层低碳合金钢，内层低碳合金钢浇注温度为1580℃。

布型时离心机转速为350r/min，逐渐加快至浇注完毕时离心机转速为900r/min。铸型转速是离心铸造时的重要工艺参数。转速过低，会出现金属液雨淋现象，还会使铸件内出现疏松、夹渣、铸件内表面凹凸不平等缺陷；转速太高，在凝固时易出现偏析，且刚凝固的金属在高温时强度很低，会引起铸件开裂。此外，太高的转速也会使离心机出现大的震动，磨损加剧，功率消耗过大。因此确定合适的转速是生产合格产品的必要条件。在浇注完毕后，还可变换铸型的转速，使金属液在正、负加速度的环境下凝固，可有效地减轻离心铸件径向断面的倾斜柱状晶现象。浇注至半径较小的内圈时，由于内半径变小，需要适当提高铸型的转速，以保证离心力均匀。

(8)保温取芯：待铸型内孔钢水呈蔷薇色，将离心机停止，待铸型完全静止并且铸件完全凝固后打开端盖取出铸件，埋入干燥的型砂中保温12h后再取出。当刀壳体的内表面完全凝固后停机，把刀壳体从模型中拉出。为了获得奥氏体和少量马氏体基体组织，要求铸件快速通过珠光体转变区，因此刀壳体出模后需以较快的冷却速度冷却。刀壳体出模后温度一般在950～1000℃，当外表面温度下降到约700℃时，再把刀壳体埋入干砂中使刀体缓慢冷却自回火，以降低内应力。

(9)抛丸清砂：对铸件表面的附砂进行抛丸清砂处理。

(10)加工整修：用锉刀等工具整修铸件飞边毛刺。

(11)热处理：对铸件进行退伙、淬火、低温回火的热处理步骤。

退火工艺：随炉1.5h升温至860℃，保温2h，随炉冷却至680℃，保温2h，随炉冷却至550℃时取出空冷至室温。

淬火工艺：随炉2h升温至820℃，保温0.5h，20min急速升温至950℃，保温2.5h，出炉后油淬。

回火工艺：2h升温至250℃，保温5h，随炉空冷降温至室温；本实施例稀土耐磨合金钢在不同回火温度下的硬度和冲击试验结果如下表所示：

(12)加工：滚刀刀壳外圆加工镶嵌刀齿的孔，加工内孔表面。

本发明采用稀土耐磨合金钢作为滚刀外层，提高滚刀刀体的耐磨性能，采用离心铸造工艺成型，使得硬度及耐磨性有提升，加工难度在允许范围内。

稀土La在耐磨合金钢冶炼过程中表现为三种作用：净化作用(去除有害的氧、硫等杂质)、变质作用(稀土的氧化物残留在钢液中成为合金钢的有益组分)、合金化作用(提高钢的整体性能)。通过添加稀土提高耐磨合金钢的耐磨性能。实现了添加稀土的耐磨钢的破岩滚刀刀壳离心铸造。

本发明中，外层采用稀土耐磨合金钢、内层采用低碳合金钢，获得良好的淬透性、综合力学性能和易加工性。浇注过程中离心机不停地以各种速度旋转，使刀齿、刀体部分依次、逐渐浇注成型。较高的浇注温度使离心机外壳穿透，较低的浇注温度使材料不易成型和结合、材料内部质密性不足；离心机旋转速度快慢直接影响内部C、Si等元素的分布，影响材料的均匀性、韧性。温度和旋转速度的严格设定直接影响刀壳材料浇泣的成败。

浇注内层低碳合金钢时，由于外层稀土耐磨合金钢刚刚凝固，因此内层低碳合金钢应缓慢浇注，浇注到一定厚度后暂停一段时间再浇注，以使内层低合金钢从外向内顺序凝固，保证凝固层得到后续浇入金属液的及时补缩。若内层浇注过快，内表面就可能提前凝固，铸件内易产生缩孔缺陷。

要得到清晰的内外结合层界面，首先要控制内、外层金属液的浇注温度和间隔时间。间隔时间过短，外层耐磨钢尚未完全凝固，内层铁液的冲击会使耐磨钢液混入到灰铸铁中，发生内外两层金属相泪，降低内外层金属的性能，内孔加工困难，同时结合层也不清晰。间隔时间过长，外层内表面上的杂质就不能上浮到内层的表面上，使结合层很粗糙，影响结合强度。经过试验确定，当稀土耐磨合金钢的内表面的温度降到1280℃左右后再浇注内层低碳合金钢，能得到光滑清晰的结合层。

性能测试：

1、采用磨粒磨损试验机对所得破岩滚刀刀壳进行磨粒磨损试验，磨粒磨损试验机技术参数如表1所示，磨粒磨损试验机试验结果如表2所示。

表1

表2

试验编号	耐磨合金钢(磨损量失重：g)	稀土耐磨合金钢(磨损量失重：g)
			1	0.753	0.652
2	0.741	0.679
			平均值	0.747	0.6655

经过相同时间磨损测试表明：稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳的耐磨性较以往耐磨合金钢破岩滚刀刀壳有较大提高，以失重平均值计算，较现有技术中耐磨合金钢，耐磨性提高12.2％，说明稀土耐磨合金钢刀壳材料的耐磨性设计满足镶齿滚刀破岩工况需求。

2、金相测试结果表明：稀土耐磨合金钢金相组织中可见针状马氏体密集，夹杂板条状马氏体，组织致密。

3、在某铁矿(岩样的单轴抗压强度高达169MPa，石英含量为54％)进行现场工业性试验，滚刀沟槽磨损测量结果如表3所示，稀土耐磨合金钢滚刀的耐磨性提高了约60％。

表3

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，其特征在于，外层采用稀土耐磨合金钢浇注，内层采用低碳合金钢浇注；稀土耐磨合金钢中各组分配比如下：C:0.28-0.34wt％,Cr:1.20-1.50wt％，Mn:1.20-1.50wt％，Si:0.80-1.20wt％，Ti:0.06-0.12wt％，La:0.03-0.06wt％，S:0-0.025wt％，P:0-0.025wt％，余量为Fe；低碳合金钢各组分配比如下：C:0.18-0.24wt％,Si:0.17-0.37wt％，Mn:0.50-0.80wt％，Cr:0.70-1.00wt％，余量为Fe；

外层稀土耐磨合金钢浇注温度为1600-1630℃，内层低碳合金钢浇注温度为1560-1580℃；

外层稀土耐磨合金钢浇注时：布型时间小于或等于10s，浇注时间为40-50s；

其内表面温度降低至1270-1290℃时再浇注内层低碳合金钢；

内层低碳合金钢浇注时：布型时离心机转速为350r/min，逐渐加快至浇注完毕时离心机转速为900r/min。

2.根据权利要求1所述的稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，其特征在于，稀土耐磨合金钢中各组分配比如下：C:0.32wt％,Cr:1.39wt％，Mn:1.33wt％，Si:0.81wt％，Ti:0.11wt％，La:0.05wt％，S:0.017wt％，P:0.021wt％，余量为Fe；低碳合金钢各组分配比如下：C:0.21wt％,Si:0.19wt％，Mn:0.67wt％，Cr:0.93wt％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，其特征在于，破岩滚刀刀壳铸件热处理工艺如下：

退火工艺：随炉1.0-1.5h升温至820℃-860℃，保温1.5-2.5h，随炉冷却至680℃，保温1.5-2.5h，随炉冷却至550℃时取出空冷至室温；

淬火工艺：随炉1-2h升温至800℃-840℃，保温0.5-1h，10-30min急速升温至900-1000℃，保温1.5-2.5h，出炉后油淬；

回火工艺：2-3h升温至240℃-260℃，保温4-6h，随炉空冷降温至室温。

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