高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料及制作方法

高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料及制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料及制作方法，化學成分的質量百分數如下：C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%,P：≤0.030%，其余參與元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，V：0.04～0.08%，Ti：0.03～0.06%，Nb：0.005～0.03%，其余含量為Fe。優點：一是通過降低三大主體元素的含量來消除主題元素對材料性能的制約，充分利用微合金元素來彌補三大主體元素含量下降帶來的性能的下降；二是利用微合金元素對調質熱處理淬火過程的影響，調整熱處理工藝參數增加材料的淬透性，從而擴大材料表面細晶粒區及柱狀晶區的范圍，提高了材料的內部性能；三是實現了材料的一體化，工作平穩性好，延長了產品的使用壽命。
【專利說明】高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料及制作方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種能夠解決輪斗挖掘機返回塔鑄件在鑄造成型過程中材料內部性 能下降和低溫沖擊韌性差的高淬透性、低溫高韌性返回塔整體鑄件材料及制作方法，屬鑄 鋼材料制造領域。

【背景技術】
[0002] 傳統的SRs2000輪斗挖掘機裝配用零部件為了滿足工作性能需要和保障結構的 安全，在結構設計上往往采用保守設計，增大結構尺寸與重量來保證材料的強度。其中的起 主支撐作用的返回塔部件為了滿足結構設計要求，往往采用返回塔塔體鑄件和傳動軸鍛件 通過鍵的裝配來滿足結構工作要求，具體結構形狀見圖3。一是由于傳動采用的是鍵聯接， 因此工作的平穩性很難得到保障，同時對于外部環境的適應性也很差，很難做到在不同的 作業環境中，使結構處于良好的工作狀態；二是傳統的輪斗挖掘機材料采用的是標準為BS EN10293中的GE300鑄鋼材料，往往受強度性能的影響，在抗低溫沖擊韌性方面相對較差， 很難適應作業環境的要求，其GE300化學成分（質量分數）和標準試樣力學性能如下： C :0· 25 ?0· 35%，Si : 0· 60 ?0· 80%，Mn: 1. 20 ?1. 50%, S:彡 0· 030%, P:彡 0· 030%, Cr: 彡 0· 30%, Ni :彡 0· 40%, Mo:彡 0· 15%, Cu:彡 0· 25% 力學性能：RpQ.2 彡 30(^/腿2，!^:彡 600N/mm2, A5% 彡 16%, Ψ 彡 30%, AKv 彡 30J(2(TC )。 性能測試標準試樣為U型試塊，試驗試樣規格為一個<2 14mmX 150mm拉伸試樣和三個 10mmX 10mmX 55mm沖擊試樣，具體形狀尺寸見圖4。


【發明內容】

[0003] 設計目的：避免【背景技術】中的不足之處，設計一種能夠解決輪斗挖掘機返回塔在 鑄造成型過程中材料內部性能下降和低溫沖擊韌性差的高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件 材料及制作方法。
[0004] 設計方案：為了實現上述設計目的。本申請的關鍵在于解決采用整體鑄鋼材料鑄 造成型代替鍵聯接結構件結構，如何保證鑄鋼件材料的整體性能滿足設計要求的問題，其 解決這一問題采用的技術方案是：一是通過降低三大主體元素的含量來減小對材料沖擊性 能的負面影響，并通過添加微合金元素來彌補三大主體元素含量降低帶來的強度性能下降 的問題，并且通過添加微合金元素來改變鋼液結晶的過程，使金屬的結晶更有利于獲得細 小晶粒，從而提高材料的強度和韌性；二是根據調整后的組分構成，并結合合金元素對熱處 理的影響，對調質熱處理的工藝參數也進行調整，大大加深了調質熱處理的淬火深度，提高 了材料的內部性能。
[0005] 1、本申請在結構設計上，對輪斗挖掘機部件結構在使用中存在的缺陷進行了新的 改進設計，新結構采用鑄鋼整體鑄造代替了返回塔塔體鑄件和軸鍛件鍵聯接結構，同時為 了滿足鑄造的工藝性，將原來軸鍛件部分采用中空設計，其鑄鋼整體鑄造結構如圖1。
[0006] 2、為了保證結構的工作性能要求，選用的鑄鋼材料必須保證結構部件內性能也能 達到設計要求，并且要求能適應零下20°C的工作環境。根據結構工作性能的要求，對選用的 鑄鋼材料力學性能提出了如下的技術指標和測試要求：a.力學性能指標：RP(I 2 > 300N/mm 2,匕：彡600N/ mm 2, A5%彡18%，Ψ彡30%，AKv彡31J(-2(TC ) ;b.力學性能測試要求：為了 保證產品內部性能，測試用試樣從140mmX 140mmX 300mm試塊中選取，選取位置為表面向 內35mm為試樣中心，具體形狀尺寸見圖2。
[0007] 3、技術難點分析： 用傳統化學組分構成的GE300燒注的140mmX 140mmX300mm試塊，通過調質熱處理后 進行力學性能試驗，分別對試塊表面、距離表面向內15mm、距離表面向內35mm三個位置取 樣試驗，所獲得的力學性能值見圖13。
[0008] 從圖13測試的結果可以看出，傳統GE300材料在20°C常溫試驗溫度下，隨著距離 表面深度的加深，強度性能和沖擊韌性都明顯下降，當距離表面深度達到35mm時，強度和 沖擊韌性都已經無法滿足設計工作性能要求；而在_20°C的試驗溫度下，距離表面深度達 到15_時，沖擊性能就已經不能滿足設計要求。造成材料性能由表及里下降的主要原因在 于：鋼液在結晶凝固過程中，由于表面溫度下降速率快于中間溫度下降速率，造成中間部分 奧氏體晶粒長大速度相對較快，因此由表及里晶粒的大小也呈現由細到粗的分布(見圖5)。
[0009] 從傳統的化學成分構成來看，為了達到材料的強度性能要求，材料組分中的三大 主體元素 C、Si、Μη三大元素含量往往采用中低含量控制，以下是三大元素對鋼性能的影響 的分析： (1)碳（C)元素對鋼性能的影響(見圖6、圖8):碳含量對強度的影響非常大，隨著碳 含量的增加，抗拉強度和硬度指標明顯上升，塑性和韌性指標隨之下降，鑄件的低溫韌性降 低，韌性-脆性轉變溫度升高。碳含量的增加，還會增加鋼的冷脆性和時效敏感性。
[0010] (2)硅（Si)元素對鋼性能的影響（見圖7、圖9、圖10):硅對鐵素體具有固溶強化 的作用，能提高鋼的屈服強度。雖然硅含量在〇. 60-0. 80%時，對于晶粒的影響不大，對于沖 擊韌性的影響也較小，但是隨著硅含量的增加，對于韌性-脆性轉變溫度的影響甚至比碳 還大。
[0011] (3)錳（Μη)元素對鋼性能的影響(見圖7、圖9):錳能提高鋼的強度，能消弱和消除 硫的不良影響并提高鋼的淬透性，在鋼中可以起到強化作用，通過熱處理使鋼獲得良好的 強度、硬度和耐磨性。但是當錳含量超過1%時，由于在熱處理加熱過程中易產生奧氏體晶 粒長大而使晶粒粗大，而造成鑄件韌性下降，同時有過熱敏性和回火脆性。
[0012] 根據對傳統的GE300化學成分構成進行分析，在高強度的性能下，很難獲得較高 的沖擊韌性，尤其是在低溫環境下和材料內部性能上，完全不能滿足部件的設計工作性能 要求。
[0013] 4、鑄造工藝方案和措施：由返回塔塔體鑄件和軸鍛件鍵聯接結構代替整體采用 鑄鋼材料整體鑄造新結構，最根本就是解決傳統GE300材料在鑄造成型過程中材料內部性 能下降和低溫沖擊韌性差的問題，而材料的綜合機械性能主要取決于金屬的組織晶粒度大 小，要提高鑄鋼件的綜合機械性能，就必須使鑄件的凝固更有利于細化晶粒。也就是要擴大 鑄件的表面細晶粒區及柱狀晶區的范圍和縮小粗大等軸晶區的范圍。
[0014] 根據傳統GE300材料的構成來看，現有的三大主體元素 C、Si、Μη的組分構成很不 利于晶粒的細化，尤其對低溫沖擊韌性的負影響很大。因此必須對材料組分構成進行調整， 同時根據設計要求材料內部也必須保證較高的綜合性能，主要從優化組分構成和提高鑄件 表面細晶粒區及柱狀晶的范圍兩個方面來設計該鑄件的生產工藝方案。
[0015] (1)從主體元素之一 C元素對鋼性能的影響分析來看（圖5、圖7)，原來的含量(質 量百分數)范圍：〇. 25?0. 35%不利于獲得高的塑性和韌性，為了能保證獲得較高的低溫沖 擊韌性，C組分含量應小于0. 25% (質量百分數)。
[0016] (2)從主體元素之二Si元素對鋼性能的影響分析來看（圖7、圖9、圖10)，Si含量 (質量百分數）的增加可以增加材料的強度性能，但是會降低材料的韌性。當Si含量(質量 百分數)在0. 25?0. 40%范圍內，可以降低鋼的熔點，改善流動性，具有良好的脫氧作用，但 是質量百分含量超過〇. 40%，易形成柱狀晶，增加熱裂傾向。
[0017] (3)從主體元素之三Μη元素對鋼性能的影響分析來看（圖7、圖9)，Mn能提高鋼的 強度，但是當錳含量(質量百分數)超過1. 〇〇%，會降低材料的沖擊韌性和提高低溫脆性-韌 性轉變溫度。在煉鋼過程中，由于錳可以與硫形成高熔點（1600°C )的MnS，一定程度上消除 了硫的有害作用，同時具有很好的脫氧能力，能夠與鋼中的FeO成為MnO進入爐渣，從而改 善鋼液的質量，降低鋼的脆性。作為優質碳素鋼，錳的含量一般不低于〇. 50?0. 80%(質量 百分數)。
[0018] 本申請根據對元素對材料性能的影響分析可以得出，三大主體元素的控制范圍如 下：C :0· 20 ?0· 25%，Si : 0· 25 ?0· 40%, Μη: 0· 50 ?0· 80%。
[0019] 調整后三大主體元素的組分構成，在提高材料的沖擊韌性上起到了積極的作用， 但是調整后的組分構成降低了材料的強度性能。根據調整的組分構成，材料的強度性能等 級只能達到屈服強度在200?250MPa，抗拉強度在：400?500MPa，同時由于三大主體元素 含量的下降，也不利于獲得高淬透性致密組織。
[0020] 金屬材料的力學性能主要取決與組織晶粒度的大小，因此控制和改變結晶過程， 使結晶過程更有利于細化晶粒，才能達到獲得高的綜合力學性能的目的。
[0021] 由于該材料組分的構成屬于低合金結構鋼，因此采用低合金鋼微合金化的方法， 可以到達細化晶粒，提高材料的綜合力學性能的目的。
[0022] 5、微合金原理和措施 a.微合金原理：低合金鋼的微合金化主要是通過添加少量Nb、V、Ti等微合金元素，打 破傳統的結晶方式，通過晶粒細化和析出強化對鋼進行強韌化處理，來改善低合金鋼的性 能。當在低合金鋼中加入Nb、V、Ti等微合金元素時，可以在鋼中形成細小的碳化物和氮化 物，其質點釘扎在晶界處，在結晶過程中阻止奧氏體晶粒的長大，同時在再結晶過程中阻止 形變奧氏體晶粒的長大。
[0023] b.微合金措施：Nb原子比Fe原子尺寸大，易在位錯上線上偏聚，對位錯攀移產生 強烈的拖曳作用，使結晶形核受到抑制。Nb在鋼中以置換溶質原子存在，形成NbC或NbN等 間隙中間相，在再結晶過程中，因 NbC或NbN對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進行阻止等作 用，從而大大增加了再結晶的時間。
[0024] 一般鋼中Nb的加入量在0· 05% (質量百分數）以下，高于0· 05% (質量百分數）的 Nb對強韌化的貢獻將不再明顯。在低濃度的Nb含量下，鋼的屈服強度和抗拉強度增長較 快，并且和含量成正比，但當Nb含量大于0. 03 (質量百分數）時，強化效果就開始降低。
[0025] 在高于臨界溫度時，Nb元素對再結晶的作用表現為溶質拖曳機制，而在低于臨界 溫度時，則表現為析出釘扎機制。Nb的完全固溶度溫度較高，在均熱溫度不是很高時Nb不 宜單獨加入，可以和V -起進行復合添加。
[0026] V在鋼中具有較高的溶解度，可以與鋼中的C、N結合，在奧氏體晶界的鐵素體中 沉淀析出，抑制奧氏體的再結晶并阻止晶粒長大，從而起到細化鐵素體晶粒，提高鋼的強度 和韌性。鋼中加入V后，強度可以增加150?300MPa，鋼中的V的加入量一般在0.04%? 0. 12% (質量百分數）之間，超過0. 20%，形成V4C3碳化物，會提高鋼的熱強性。
[0027] V對鋼的淬透性有重要影響，當鋼被加熱到臨界溫度時，V溶于最初形成奧氏體的 高碳區，從而增加了鋼的淬透性。
[0028] Ti是鋼中強脫氧劑，是強碳化物形成元素，和N、0、C都有極強的親和力，同時Ti和 S具有較強的親和力，甚至強于Fe和S的親和力，因此在含Ti的鋼中優先生成硫化鈦，降低 了硫化鐵生成的幾率，可以減少鋼的熱脆性。Ti與C形成的碳化物結合力極強和穩定，只有 當加熱溫度超過l〇〇〇°C以上時，才開始緩慢地溶入固溶體中，在未溶入前，TiC微粒有阻止 鋼晶粒長大粗化的作用。Ti還能與Fe和C生成難溶的碳化物質點，富集于鋼的晶界處，阻 止鋼的晶粒粗化。Ti還能溶于γ和α相中，形成固溶體，使鋼強化。在鋼液凝固過程中， 彌散分布的大量TiC顆粒，可以成為鋼液凝固時的固體晶核，加劇形核的速度，更加利于結 晶和細化晶粒。另外Ti也能與N結合生成穩定的高彌散化合物，減慢珠光體向奧氏體轉變 的過程。含有微量的Ti的鋼，在低于900°C正火時，能提高鋼的屈服點及屈強比，同時不降 低鋼的塑性。
[0029] -般鋼中Ti的加入量應大于0. 025%(質量百分數)，但是當鋼中Ti/C比高于4時， 鋼的強度及韌性都急劇下降。
[0030] 根據三種微合金元素對鋼影響的分析同時結合三大主體元素的要求，經微合金化 和優化后的化學成分(質量百分數）控制范圍如下： C :0· 20 ?0· 25%，Si:0. 25 ?0· 40%，Μη:0· 50 ?0· 80%，S:彡 0· 030%，P:彡 0· 030%， 其余參與元素 Cr:彡 0.30%, Mo:彡 0.15%，Ni:彡 0.40%, V :0.04 ?0.08%，Ti: 0.03 ? 0· 06%，Nb: 0· 005 ?0· 03%,其余含量為 Fe。
[0031] 6、高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料的制作方法，（1)返回塔整體鑄件澆注成 型保溫完畢，清理鑄件表面，然后將鑄件毛坯連同冒口 一起進爐進行去應力預細化正火處 理；按常規的熱處理要求，正火溫度為890±10°C，保溫6小時出爐空冷；（2)返回塔整體鑄 件熱處理保溫結束，鑄件冷卻到400?450°C進行熱割冒口，熱割冒口后，立刻進爐子利用 預熱進行去除切割應力回火；（3)待返回塔整體鑄件冷卻到常溫進行粗加工，按圖紙精加 工尺寸單邊預留3?5mm調質余量；（4)粗加工結束，進行最終調質熱處理，根據預細化正 火熱處理結果及微合金元素對最終熱處理的有關要求，調質熱處理的具體參數如下：隨爐 溫升溫至650± 10°C，保溫3小時后，繼續升溫至870± 10°C，再保溫6小時，然后進行油淬 后；油淬后再次繼續升溫至670±10°C，保溫9小時，最后進行水冷即可，見圖11。
[0032] 本發明與【背景技術】相比，一是通過降低三大主體元素的含量來消除主題元素對材 料性能的制約，并充分利用微合金元素來彌補三大主體元素含量下降帶來的性能的下降； 二是利用微合金元素對調質熱處理淬火過程的影響，調整熱處理工藝參數增加材料的淬透 性，從而擴大材料表面細晶粒區及柱狀晶區的范圍，達到提高了材料內部性能的目的；三是 由于實現了材料的一體化，產品克服了由于裝配問題帶來的工作的平穩性，延長了產品的 使用壽命，提高了工作效率，因此具有極其可觀的經濟效益和發展前景；四是本申請所制的 輪斗挖掘機返回塔整體鑄件能夠適應設計生產能力為6600噸/小時，總重3100多噸，臂長 44米，最大采掘高度30米的輪斗挖掘機，能適應不同地區的作業環境。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1-1是返回塔整體鑄件的剖視結構示意圖。
[0034] 圖1-2是返回塔整體鑄件的端面結構示意圖。
[0035] 圖2-1是新設計試塊尺寸及取樣位置分布主視示意圖。
[0036] 圖2-2是圖2-1的側視示意圖。
[0037] 圖3-1是返回塔鑄件和傳動軸鍵剖視裝配示意圖。
[0038] 圖3-2是返回塔鑄件和傳動軸鍵裝配后端面示意圖。
[0039] 圖4-1是標準試塊及試樣分布側視示意圖。
[0040] 圖4-2是標準試塊及試樣分布主視示意圖。
[0041] 圖5是鑄件斷面的宏觀組織示意圖，其中1-表面細晶粒區2-柱狀晶區3.粗 大等軸晶區。
[0042] 圖6是含碳量對鋼機械性能的影響的曲線示意圖。
[0043] 圖7是硅、錳含量對鋼強度性能的影響曲線示意圖。
[0044] 圖8是含碳量與韌性-脆性轉變溫度關系曲線示意圖。
[0045] 圖9是硅、錳含量對鋼韌性的影響關系曲線示意圖。
[0046] 圖10是硅含量與韌性-脆性轉變溫度關系曲線示意圖。
[0047] 圖11是調質熱處理的具體參數曲線示意圖。
[0048] 圖12是返回塔整體鑄件按該化學成分調質處理后的金相組織為：回火索氏體圖。
[0049] 圖13是GE300材料不同位置的力學性能值。
[0050] 圖14是化學成分（％)(質量分數）（其余含量為Fe)。
[0051] 圖15是GE300優化材料不同位置的力學性能值。

【具體實施方式】
[0052] 實施例1 : 一種高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料，化學成分的質量百分數控 制范圍如下：C :0· 20 ?0· 25%，Si :0· 25 ?0· 40%，Μη :0· 50 ?0· 80%，S :彡 0· 030%, P : 彡 0· 030%，其余參與元素 Cr :彡 0· 30%，Mo :彡 0· 15%，Ni :彡 0· 40%，V :0· 04 ?0· 08%，Ti : 0· 03 ?0· 06%，Nb : 0· 005 ?0· 03%，其余含量為 Fe。
[0053] 實施例2 :參照附圖3至12。一種高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料的制作方 法，（1)返回塔整體鑄件澆注成型保溫完畢，清理鑄件表面，然后將鑄件毛坯連同冒口一起 進爐進行去應力預細化正火處理；按常規的熱處理要求，正火溫度為890± 10°C，保溫6小 時出爐空冷；（2)返回塔整體鑄件熱處理保溫結束，鑄件冷卻到400?450°C進行熱割冒口， 熱割冒口后，立刻進爐子利用余熱進行去除切割應力回火；（3)待返回塔整體鑄件冷卻到 常溫進行粗加工，按圖紙精加工尺寸單邊預留3?5_調質余量；（4)粗加工結束，進行最 終調質熱處理，根據與細化正火熱處理結果及微合金元素對最終熱處理的有關要求，調質 熱處理的具體參數如下：隨爐溫升溫至650± 10°C，保溫3小時后，繼續升溫至870± 10°C， 再保溫6小時，然后進行油淬后；油淬后再次繼續升溫至670± 10°C，保溫9小時，最后進行 水冷即可。
[〇〇54] 需要理解到的是：上述實施例雖然對本發明的設計思路作了比較詳細的文字描 述，但是這些文字描述，只是對本發明設計思路的簡單文字描述，而不是對本發明設計思路 的限制，任何不超出本發明設計思路的組合、增加或修改，均落入本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種高淬透性、低溫高韌性返回塔整體鑄件材料，其特征是化學成分的質量百分數 控制范圍如下： C :0. 20 ?0. 25%，Si :0. 25 ?0. 40%，Μη :0. 50 ?0. 80%，S :彡 0. 030%, P :彡 0. 030%， V :0.04 ?0.08%，Ti : 0.03 ?0.06%，Nb : 0.005 ?0.03%，其余殘余元素 Cr :彡 0.30%，Mo : < 0. 15%，Ni 0. 40%，其余含量為 Fe。
2. 根據權利要求1所述的高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料，其特征是：
3. -種高淬低溫高韌性返回塔整體鑄件材料的制作方法，其特征是： (1) 返回塔整體鑄件澆注成型保溫完畢，清理鑄件表面，然后將鑄件毛坯連同冒口一起 進爐進行去應力預細化正火處理；按常規的熱處理要求，正火溫度為890± 10°C，保溫6小 時出爐空冷； (2) 返回塔整體鑄件熱處理保溫結束，鑄件冷卻到400?450°C進行熱割冒口，熱割冒 口后，立刻進爐子利用預熱進行去除切割應力回火； (3) 待返回塔整體鑄件冷卻到常溫進行粗加工，按圖紙精加工尺寸單邊預留3?5_調 質余量； (4) 粗加工結束，進行最終調質熱處理，根據預細化正火熱處理結果及微合金元素對最 終熱處理的有關要求，調質熱處理的具體參數如下： 隨爐溫升溫至650± 10°C，保溫3小時后，繼續升溫至870± 10°C，再保溫6小時，然后 進行油淬后； 油淬后再次繼續升溫至670± 10°C，保溫9小時，最后進行水冷即可。
【文檔編號】C22C38/14GK104109803SQ201310152235
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月27日 優先權日:2013年4月27日
【發明者】陳江忠, 婁彪 申請人:寶鼎重工股份有限公司