CN116493883A - 机械设备动力部件的壳体制造方法以及壳体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械设备动力部件的壳体制造方法以及壳体，涉及机械加工领域，用以提高壳体耐磨耐蚀和整体抗疲劳和抗气蚀能力。该壳体制造方法包括以下步骤：对20CrMnCu钢材进行熔炼和模铸处理；进行锻造加工形成壳体毛坯；将壳体毛坯空冷至室温；对壳体毛坯进行粗加工，以将壳体毛坯的表面轮廓加工至设定的形状，并在壳体毛坯内部加工孔道，以得到壳体半成品；采用真空炉对加工后的壳体半成品进行时效处理；将壳体半成品出炉空冷；在壳体半成品的外表面进行激光熔覆，以形成耐磨耐蚀层；对带有耐磨耐蚀层的壳体半成品进行精加工，以得到壳体。上述技术方案，显著提高了壳体局部耐磨耐蚀和整体抗疲劳和抗气蚀能力。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种机械设备动力部件的壳体制造方法以及壳体。
背景技术
机械动力部分在岩石工程中发挥着重要的作用，机械动力部分的壳体是凿岩机上的关键零件，壳体具有存储液压油、设置液压油通道的作用，是保障位于壳体内部零件正常工作的关键零件。由于工况要求，壳体重量较轻，壳体壁厚较薄，壳体内部遍布各路油道，壳体外表面承受砂石水的冲刷，壳体连接面承受高频的冲击振动，壳体内孔承受液压油压力切换带来的气蚀冲击。
发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：壳体在使用过程中经过会由于开裂、局部磨损而报废，其性能好坏直接关系到凿岩机的使用。为保证使用功能和寿命要求，壳体一般采用低碳钢为基体，进行全表面硬化处理。但是内孔硬化处理后，会带来棱角处易开裂，加工难度和加工成本升高极多等问题。
发明内容
本发明提出一种机械设备动力部件的壳体制造方法以及壳体，用以提高壳体耐磨耐蚀和整体抗疲劳和抗气蚀能力。
本发明实施例提供了一种机械设备动力部件的壳体制造方法，包括以下步骤：
通过冶炼浇筑工艺对20CrMnCu钢材进行熔炼和模铸处理；
对模铸处理后的20CrMnCu钢材进行锻造加工形成壳体毛坯；
将锻造后的壳体毛坯空冷至室温；
对冷却至室温的所述壳体毛坯进行粗加工，以将壳体毛坯的表面轮廓加工至设定的形状，并在所述壳体毛坯内部加工孔道，以得到壳体半成品；
采用真空炉对加工后的所述壳体半成品进行时效处理；
将经过时效处理的所述壳体半成品出炉空冷；
在空冷后的所述壳体半成品的外表面进行激光熔覆，在所述壳体半成品的外表面形成耐磨耐蚀层；
对带有耐磨耐蚀层的所述壳体半成品进行精加工，以得到壳体。
在一些实施例中，所述20CrMnCu钢材的化学成分以质量百分比计为：C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.5％、Mn：1.0～2.0％、Cr：1.0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0.5～1.0％、Al：0～0.2％、Cu：1～1.5％、P：≤0.025％、S：≤0.008％，余量为Fe。
在一些实施例中，时效温度为450℃～550℃，保温2～6小时。
在一些实施例中，激光熔覆相关参数如下：激光功率为1500kw～2000kw，扫描速度为3m/s～8m/s，送粉速度为8g/min～12g/min。
在一些实施例中，所述耐磨耐蚀层所采用的铁基粉末的化学成分以质量百分比计为：C：0.5～1.0％；Si：0.5～1.0％；Mn：0～1.0％；Cr：16.0～17.0％；Mo：1.0～2.0％；Ni：2.0～4.0％；WC：5.0～10.0％；La2O3：0.2～0.5％；余量为Fe。
在一些实施例中，所得到的壳体的基体硬度35HRC～40HRC，表面硬度700HV～800HV。
在一些实施例中，所得到的壳体的基体硬度38HRC，表面硬度740HV。
在一些实施例中，所得到的壳体的抗拉强度＞1100MPa。
本发明实施例提供一种机械设备动力部件的壳体，包括：
基体，所述基体的硬度35HRC～40HRC；以及
耐磨耐蚀层，覆盖于所述基体的外表面，所述耐磨耐蚀层的表面硬度700HV～800HV。
在一些实施例中，所述基体所采用的20CrMnCu钢材的化学成分以质量百分比计为：C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.5％、Mn：1.0～2.0％、Cr：1.0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0.5～1.0％、Al：0～0.2％、Cu：1～1.5％、P：≤0.025％、S：≤0.008％，余量为Fe。
在一些实施例中，所述耐磨耐蚀层所采用的铁基粉末的化学成分以质量百分比计为：C：0.5～1.0％；Si：0.5～1.0％；Mn：0～1.0％；Cr：16.0～17.0％；Mo：1.0～2.0％；Ni：2.0～4.0％；WC：5.0～10.0％；La2O3：0.2～0.5％；余量为Fe。
在一些实施例中，所述机械设备包括凿岩机。
上述技术方案提供的机械设备动力部件的壳体制造方法，通过采用时效硬化钢作为基体，同时采用激光熔覆手段制备表面耐磨耐蚀层，显著提高了壳体表面耐磨耐蚀和整体抗疲劳和抗气蚀能力，同时可以有效地降低加工难度，进而降低壳体的生产成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的机械设备动力部件的壳体制造方法示意图。
图2为采用本发明实施例提供的机械设备动力部件的壳体表面和芯部的硬度示意图。
图3为采用本发明实施例提供的机械设备动力部件的进行盐雾实验腐蚀速率的统计图。
图4为采用本发明实施例提供的机械设备动力部件的壳体制造方法得到的壳体。
具体实施方式
下面结合图1～图4对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
机械设备，比如凿岩机，工作环境复杂。其壳体用于存储液压油，设置液压流道。
参见图1，本发明实施例提供一种机械设备动力部件的壳体制造方法，包括以下步骤：
步骤S100、通过冶炼浇筑工艺对20CrMnCu钢材进行熔炼和模铸处理。
在一些实施例中，20CrMnCu钢材的化学成分以质量百分比计为：C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.5％、Mn：1.0～2.0％、Cr：1.0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0.5～1.0％、Al：0～0.2％、Cu：1～1.5％、P：≤0.025％、S：≤0.008％，余量为Fe。
从图2可以看出，本发明实施例的技术方案，在改变钢材料的化学成分以质量百分比之后，硬度能够得到明显的提升，并且在硬度提高的情况下，材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、屈强比等参数几乎没有明显的下降。壳体的整体性能得到明显的改善。
从图3可以看出，在时效时间为48小时时，本发明实施例提供的20CrMnCu钢的腐蚀速率与现有技术中20CrMn钢的腐蚀速率差不多。但是，随着时效时间的增长，在时效时间为96小时、192小时时，本发明实施例提供的20CrMnCu钢的腐蚀速率明显低于现有技术中20CrMn钢的腐蚀速率。本发明实施例提供的技术方案，能够通过提升锈层的致密度与完整性，有效降低腐蚀速率，提高基体材料的耐蚀性。
步骤S200、对模铸处理后的20CrMnCu钢材进行锻造加工形成壳体毛坯。
步骤S300、将锻造后的壳体毛坯空冷至室温。
步骤S400、对冷却至室温的壳体毛坯进行粗加工，以将壳体毛坯的表面轮廓加工至设定的形状，并在壳体毛坯内部加工孔道1，以得到壳体半成品。
步骤S500、采用真空炉对加工后的壳体半成品进行时效处理。
步骤S600、将经过时效处理的壳体半成品出炉空冷。
在一些实施例中，时效温度为450～550℃，保温2～6小时。时效温度具体比如为450℃、460℃、500℃、550℃。
壳体基体采用含铜低合金钢，在经过时效处理后，基体芯部组织为贝氏体组织，表面组织为马氏体组织，通过在比如500℃时效处理，保证基体硬度达到38.8HRC，材料的冲击功达到28J，抗拉强度达到1162.7MPa，进而保证基体具有一定的耐磨性和强韧性配比。
步骤S700、在空冷后的壳体半成品的外表面进行激光熔覆，在壳体半成品的外表面形成耐磨耐蚀层。
在一些实施例中，激光熔覆相关参数如下：激光功率为1500～2000kw，扫描速度为3～8m/s，送粉速度为8～12g/min。
在一些实施例中，耐磨耐蚀层所采用的铁基粉末的化学成分以质量百分比计为：C：0.5～1.0％；Si：0.5～1.0％；Mn：0～1.0％；Cr：16.0～17.0％；Mo：1.0～2.0％；Ni：2.0～4.0％；Wc：5.0～10.0％；La2O3：0.2～0.5％；余量为Fe。
步骤S800、对带有耐磨耐蚀层的壳体半成品进行精加工，以得到壳体2。
上述技术方案，在基础20CrMn成分条件下进行合金调整，在钢中添加了Cu，Ni，Al元素，经过时效处理后，Cu元素会团簇形成富铜相，富铜相为纳米析出强化相，通过模量强化和共格强化提高材料的强度和硬度，使低碳钢可以达到35～40HRC的硬度，同时钢中添加铜元素提高了材料的耐蚀性和耐候性。
上述技术方案，采用表面激光熔覆手段，通过并调配粉末成分保证壳体表面涂层耐磨耐蚀性能。本粉末中通过添加适量Wc保证硬化层达到硬度要求，同时又避免过量添加Wc带来的硬化层裂纹等缺陷。通过添加稀土元素La可以作为异质形核中心，增加形核率，起到细化晶粒，均匀组织的作用，使组织由长度极长柱状晶转化为较小的胞状结构，同时可以略微提升硬化层的硬度。该涂层具有相对较高的Cr元素含量，Cr元素可以起到提高钢的钝化电流、保持钝化膜的稳定性、提高钝化膜破坏后的修复能力等有益作用，从而改善钢材的耐腐蚀性能。
钢中的Cu，Ni，Al元素，在时效处理后，Cu元素会团簇形成富铜相，富铜相为纳米析出强化相，通过模量强化和共格强化提高材料的强度和硬度，使低碳钢可以达到35～40HRC的硬度，同时钢中添加铜元素可以提高材料的耐蚀性和耐候性。涂层粉末中通过添加适量WC保证硬化层达到硬度要求，同时又避免过量添加WC带来的硬化层裂纹等缺陷。通过添加稀土元素La可以作为异质形核中心，增加形核率，起到细化晶粒，均匀组织的作用，使组织由长度极长柱状晶转化为较小的胞状结构，同时提升了硬化层的硬度。通过相对较高的Cr元素含量，Cr元素可以起到提高钢的钝化电流、保持钝化膜的稳定性、提高钝化膜破坏后的修复能力等有益作用，从而改善钢材的耐腐蚀性能。
在一些实施例中，所得到的壳体的基体硬度35HRC～40HRC，表面硬度700HV～800HV。
在一些实施例中，完成加工后的壳体的基体硬度38HRC，表面硬度740HV。
上述技术方案，采用高性能时效硬化钢20CrMnCu和激光熔覆表面涂覆的方式得到壳体，所得到的壳体具有优良的强韧性匹配、很高的耐冲击抗力和表面抗损伤能力，能够很好地满足机械动力部分复杂工作载荷条件的使用要求。
参见图4，本发明实施例提供一种机械设备动力部件的壳体，包括基体以及耐磨耐蚀层。基体的硬度35～40HRC。耐磨耐蚀层覆盖于基体的外表面，耐磨耐蚀层的表面硬度700～800HV。
在一些实施例中，基体所采用的20CrMnCu钢材的化学成分以质量百分比计为：C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.5％、Mn：1.0～2.0％、Cr：1.0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0.5～1.0％、Al：0～0.2％、Cu：1～1.5％、P：≤0.025％、S：≤0.008％，余量为Fe。基体采用上述化学成分，有效改善了钢材的耐腐蚀性能。
在一些实施例中，耐磨耐蚀层所采用的铁基粉末的化学成分以质量百分比计为：C：0.5～1.0％；Si：0.5～1.0％；Mn：0～1.0％；Cr：16.0～17.0％；Mo：1.0～2.0％；Ni：2.0～4.0％；WC：5.0～10.0％；La2O3：0.2～0.5％；余量为Fe。将上述铁基粉末通过激光熔覆至基体外表面得到壳体耐磨耐蚀涂层。
在一些实施例中，机械设备包括凿岩机。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种机械设备动力部件的壳体制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过冶炼浇筑工艺对20CrMnCu钢材进行熔炼和模铸处理；
对模铸处理后的20CrMnCu钢材进行锻造加工形成壳体毛坯；
将锻造后的壳体毛坯空冷至室温；
对冷却至室温的所述壳体毛坯进行粗加工，以将壳体毛坯的表面轮廓加工至设定的形状，并在所述壳体毛坯内部加工孔道，以得到壳体半成品；
采用真空炉对加工后的所述壳体半成品进行时效处理；
将经过时效处理的所述壳体半成品出炉空冷；
在空冷后的所述壳体半成品的外表面进行激光熔覆，在所述壳体半成品的外表面形成耐磨耐蚀层；
对带有耐磨耐蚀层的所述壳体半成品进行精加工，以得到壳体。
2.根据权利要求1所述的壳体制造方法，其特征在于，所述20CrMnCu钢材的化学成分以质量百分比计为：C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.5％、Mn：1.0～2.0％、Cr：1.0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0.5～1.0％、Al：0～0.2％、Cu：1～1.5％、P：≤0.025％、S：≤0.008％，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述的壳体制造方法，其特征在于，时效温度为450～550℃，保温2～6小时。
4.根据权利要求1所述的壳体制造方法，其特征在于，激光熔覆的相关参数如下：激光功率为1500kw～2000kw，扫描速度为3m/s～8m/s，送粉速度为8g/min～12g/min。
5.根据权利要求1所述的壳体制造方法，其特征在于，所述耐磨耐蚀层所采用的铁基粉末的化学成分以质量百分比计为：C：0.5～1.0％；Si：0.5～1.0％；Mn：0～1.0％；Cr：16.0～17.0％；Mo：1.0～2.0％；Ni：2.0～4.0％；WC：5.0～10.0％；La2O3：0.2～0.5％；余量为Fe。
6.根据权利要求1所述的壳体制造方法，其特征在于，所得到的壳体的基体硬度35HRC～40HRC，表面硬度700HV～800HV。
7.根据权利要求6所述的壳体制造方法，其特征在于，所得到的壳体的基体硬度38HRC，表面硬度740HV。
8.根据权利要求6所述的壳体制造方法，其特征在于，所得到的壳体的抗拉强度＞1100MPa。
9.一种机械设备动力部件的壳体，其特征在于，包括：
基体，所述基体的硬度35HRC～40HRC；以及
耐磨耐蚀层，覆盖于所述基体的外表面，所述耐磨耐蚀层的表面硬度700HV～800HV。
10.根据权利要求9所述的机械设备动力部件的壳体，其特征在于，所述基体所采用的20CrMnCu钢材的化学成分以质量百分比计为：C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.5％、Mn：1.0～2.0％、Cr：1.0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0.5～1.0％、Al：0～0.2％、Cu：1～1.5％、P：≤0.025％、S：≤0.008％，余量为Fe。
11.根据权利要求9所述的机械设备动力部件的壳体，其特征在于，所述耐磨耐蚀层所采用的铁基粉末的化学成分以质量百分比计为：C：0.5～1.0％；Si：0.5～1.0％；Mn：0～1.0％；Cr：16.0～17.0％；Mo：1.0～2.0％；Ni：2.0～4.0％；WC：5.0～10.0％；La2O3：0.2～0.5％；余量为Fe。
12.根据权利要求9所述的机械设备动力部件的壳体，其特征在于，所述机械设备包括凿岩机。
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