一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢及其制备方法

摘要

本发明提供了一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，由以下质量百分比的成分组成：C 0.22％～0.30％，Si 0.30％～0.45％，Mn 1.10～1.20％，Cr0.20％～0.40％，Ni 0.20％～0.35％，Mo 0.30％～0.45％，Al 0.03％～0.06％，Ce0.03％～0.04％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。本发明还提供了一种制备该铸钢的方法。本发明通过对铸钢进行成分的筛选和配比的优化，并且对铸钢寻求最佳热处理工艺，最终获得强硬度高、冲击韧性优良、碳当量低、生产成本低的低碳微合金化铸钢，更能符合采煤机大型摇臂用钢的需要。

说明书

技术领域

本发明属于低碳微合金化铸钢材料技术领域，具体涉及一种采煤机摇 臂用低碳微合金化铸钢及其制备方法。

背景技术

采煤机摇臂是采煤机截割煤炭的关键部件，其质量及可靠性直接决定 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、断裂、安装 孔变形磨损及齿轮、轴承损坏。摇臂体积大、重量重、强度及硬度低引起 的故障是降低采煤机摇臂的可靠性的主要因素。部分采煤机的摇臂平均30 天要发生1次机械事故。如张集矿使用的某厂MG800/1880-WD采煤机在 半年时间内换了7个摇臂。目前采煤机摇臂结构庞大而且比较重，结构的 增大使摇臂自身的重量增加，而摇臂重量的增加不仅使行走部承受更大的 载荷，而且也严重影响整机的稳定性。采煤机摇臂壳体选用强度高、硬度 高的材料，可以通过减小摇臂外形尺寸和壳体壁厚，减轻摇臂壳体自身重 量，降低整机和行走部载荷，重点加强齿轮和轴承的强度，并且提高摇臂 壳体的耐磨性能，减少维修次数，提高采煤机的使用寿命。

采煤机摇臂必须经过铸造成形，不能通过控制冷却及常规热处理强化 途径来实现强韧化，对于铸钢通常要求保证较高强度时还需要优良的塑性 韧性及焊接性能，这就要求铸钢的含碳量低合金元素少，而低的含碳量及 合金元素通常会导致铸钢的强度降低，而高的含碳量和合金元素通常会导 致铸钢的塑性韧性及焊接性能降低，这是铸钢成分设计及其生产所克服的 一个主要困难。

目前采煤机摇臂和牵引部壳体材料普遍采用的传统铸钢是ZG25Mn (合金成分C 0.20～0.30％，Si 0.30～0.45％，Mn 1.10～1.30％，S≤0.035％， P≤0.035％，余量为Fe)、ZG25Mn2(合金成分C 0.20～0.30％，Si 0.30～0.45％，Mn 1.70～1.90％，S≤0.035％，P≤0.035％，余量为Fe)或 ZG25MnNi(合金成分C 0.252％，Si 0.92％，Mn 0.872％，S≤0.035％，P ≤0.035％，Mo 0.152％，Ni 0.273％，余量为Fe)。此类铸钢的低焊接裂 纹敏感性指数(Pcm)低，焊接裂纹风险相对小，但其强度和硬度低， HBW150～170，韧性和抗冲击性较差，耐磨性较差，严重影响采煤机摇臂 的使用寿命和可靠性。

中国专利CN 102345072A公开了一种采煤机摇臂用高强度铸钢及其 热处理工艺，包括如下质量份的化学成分：C0.30～0.37％，Si0.45～0.60％， Mn0.90～1.10％，Cr1.40～1.60％，Ni1.40～1.60％，Mo0.20～0.30％，P≤0.020％， S≤0.020％，余量为Fe。产品力学抗拉强度达到804～902MPa，同时耐磨 性好，硬度达到HB260～285。但是，该铸钢存在塑性和冲击韧性差等技术 缺陷，并且其焊接性能很差，工艺控制过程复杂，生产成本高。

中国专利CN102517516A提供了一种高冲击功铸钢，其合金成分为： C0.18～0.22％，Si0.20～0.50％，Mn1.20～1.50％，Cr0.30～0.6％，Ni0.6～0.9％， Mo0.15～0.30％，V0.05～0.08％，Ti0.03～0.05％，Ce0.01～0.02％。特别适用 于采煤机械中刮板输送机上销排座关键部件上使用，具备高冲击功，其所 述铸钢的所述铸钢抗拉强度为930～1080MPa，屈服强度≥830MPa，延伸 率≥9％，冲击功≥50J，硬度为292～337HB。但是，该铸钢存在合金含量 高等技术缺陷，并且焊接性能很差，制备工艺复杂，生产成本高。

近几年来，尚未发现兼备高强度、高硬度、良好的冲击韧性、塑性及 焊接性能的低碳微合金高强韧性铸钢应用在大型采煤机摇臂壳体上，而随 着我国煤炭能源需求的快速发展，开发研制大采高、高性能采煤机，并实 现高产、高效、长时少人、短时无人的数字化、智能化采煤，对这类高性 能的铸钢摇臂需求用量越来越大。由于其综合性能要求较高，故目前国内 尚没有合适的替代铸钢材料，而引进国外同类性能的铸钢的价格十分昂 贵，为此自主研发一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢是十分必要的。

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，提供一种 强硬度高、冲击韧性优良、碳当量低、生产成本低的采煤机摇臂用低碳微 合金化铸钢。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种采煤机摇臂用 低碳微合金化铸钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C 0.22％～0.30％，Si 0.30％～0.45％，Mn 1.10～1.20％，Cr 0.20％～0.40％，Ni 0.20％～0.35％，Mo 0.30％～0.45％，Al 0.03％～0.06％，Ce 0.03％～0.04％，S ≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，其特征在于，由以下质 量百分比的成分组成：C 0.27％，Si 0.41％，Mn 1.13％，Cr 0.33％，Ni 0.35％， Mo 0.45％，S 0.006％，P 0.013％，Al 0.03％，Ce 0.04％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，其特征在于，由以下质 量百分比的成分组成：C 0.25％，Si 0.42％，Mn 1.1％，Cr 0.4％，Ni 0.29％， Mo 0.42％，S 0.007％，P 0.012％，Al 0.052％，Ce 0.03％，余量为Fe。

上述的一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，其特征在于，由以下质 量百分比的成分组成：C 0.22％，Si 0.45％，Mn 1.16％，Cr 0.35％，Ni 0.2％， Mo 0.30％，S 0.015％，P 0.02％，Al 0.06％，Ce 0.036％，余量为Fe。。

上述的一种采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，其特征在于，由以下质 量百分比的成分组成：C 0.30％，Si 0.30％，Mn 1.20％，Cr 0.20％，Ni 0.31％， Mo 0.39％，S 0.008％，P 0.010％，Al 0.048％，Ce 0.038％，余量为Fe。

另外，本发明还提供了一种制备上述采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢 的方法，其特征在于，该方法为：按照所要制备的采煤机摇臂用低碳微合 金化铸钢的成分设计要求进行配料，经电弧熔炼后进行精炼处理，然后依 次进行均匀化退火处理、正火处理和时效处理，得到采煤机摇臂用低碳微 合金化铸钢；所述均匀化退火处理的具体过程为：在温度为910℃～930℃ 的加热炉中保温4h～5h后炉冷，所述正火处理的具体过程为：在温度为900 ℃～920℃的加热炉中保温3h～4h后风冷，所述时效处理的具体过程为：在 温度为500℃～550℃的加热炉中保温3h～4h后空冷。

本发明在铸钢成分方面的技术改进为：本发明根据高产、高效以及大 采高采煤机的性能要求进行自主创新优化设计，以保证各项机械性能及焊 接性能达到或超过国外同类采煤机的水平。根据高产、高效、大采高和大 功率采煤机的使用要求，该铸钢应具有较高的强度、硬度、良好的冲击韧 性和塑性及良好的焊接性能。因此，其设计的原则是在低碳的条件下，通 过多元素微合金化和最佳热处理，发挥固溶强化、珠光体组织强化、从铁 素体析出弥散分布的微合金碳氮化合物时效强化、晶粒细化等优势，在保 证强硬度及韧性塑性的前提下，还保证良好的焊接性和加工性能。由于碳 含量较低，因而可以保证铸钢优良的冲击韧性和塑性及良好的焊接性能； 适量的硅钼含量有助于产生固溶强化，含量过低将降低固溶强化的效果， 更会极大影响其它微量合金元素的综合强化作用，含量过高则会降低冲击 韧性和塑性及良好的焊接性能；铬(Cr)在铸钢中能显著提高强度、硬度 和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。镍(Ni)能提高钢的强度，而又保持 良好的塑性和韧性。钼(Mo)能使铸钢的晶粒细化，能提高机械性能。 同时铬(Cr)和钼(Mo)又能够与铸钢中的碳、氮原子形成弥散分布的 微合金碳氮化合物，起到良好的时效强化作用。稀土元素铈(Ce)能够起 到微合金化、减轻钢中磷、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素相作用， 并且能够发挥脱硫、脱氧和变性夹杂、弥散硬化作用。在铸钢中同时加入 适量铬、镍、钼及稀土元素，其综合作用远远大于单独作用之和。硫(S) 和磷(P)是铸钢中有害杂质元素，是随着炼钢原材料带入铸钢中的，其 含量越低越好，铝(Al)是铸钢冶炼后期必不可少的元素，除了脱氧净化 铁水外，还能起到细化晶粒的作用。

本发明在铸钢热处理方面的技术改进为：为充分发挥采煤机摇臂用低 碳微合金化铸钢的性能潜力，寻求最佳热处理工艺方案是关键，其基本方 式包括：均匀化退火处理、正火处理和时效处理。

均匀化退火处理：对于大型采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，高温均 匀化退火处理的目的是为了消除铸态组织和宏观偏析，微观偏析，使铸件 成分均匀化细化晶粒，消除铸造应力，本发明采用高温均匀化退火工艺为： 910℃～930℃保温4h～5h炉冷处理。

正火处理：其目的是进一步消除铸造应力，增加珠光体数量，组织均 匀化和晶粒细化，并使一定数量的强碳氮化合物元素溶入到均匀细致的铁 素体中，本发明采用的正火工艺为：900℃～920℃保温3h～4h风冷处理。

时效处理：其目的主要是进一步消除铸件各种应力，同时在原有组织 强化，晶粒细化的基础上，经时效处理从铁素体晶粒上析出Cr、Mo等合 金碳化物氮化物，由于析出化合物的颗粒十分细小，起到弥散强化的作用， 从而既可获得较高的硬度强度(特别是屈服强度)，还可获得优良的冲击 韧性。时效温度及保温时间直接影响低碳微合金化大型采煤机摇臂用铸钢 的最终性能。通过逐步试验，确定最佳的时效处理工艺。本发明采用的时 效工艺为：500℃～550℃保温3h～4h空冷处理。

经过对上述三种热处理工艺的参数进行优化试验，即选出能使铸钢获 得高的强硬度和优良的冲击韧性、低的碳当量和低的合金成本的最佳热处 理参数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提供了一种大型采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢，该铸钢 具有高的强硬度、优良的冲击韧性、低的碳当量和低的合金成本。

2、本发明通过对铸钢的化学成分进行配方筛选和优化，并且对铸钢 寻求最佳热处理工艺，最终获得强硬度高、冲击韧性优良、碳当量低、合 金成本低的低碳微合金化铸钢，更能符合采煤机大型摇臂用钢的需要。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相 组织图。

图2为本发明实施例2制备的采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相 组织图。

图3为本发明实施例3制备的采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相 组织图。

图4为本发明实施例4制备的采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相 组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢由以下质量百分比的成分 组成：C 0.22％，Si 0.45％，Mn 1.16％，Cr 0.35％，Ni 0.20％，Mo 0.30％， S 0.015％，P 0.02％，Al 0.06％，Ce 0.036％，余量为Fe。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的制备方法为：按照采煤机 摇臂用低碳微合金化铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常 规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为920℃ 的加热炉中保温4.5h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为910℃的加热 炉中保温3.5h后风冷进行正火处理、在温度为520℃的加热炉中保温3.5h 后空冷进行时效处理，得到低碳微合金化采煤机摇臂用铸钢。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相组织如图1所示，由 图1可知该铸钢为“珠光体+铁素体”结构，组织均匀致密。本实施例采煤 机摇臂用低碳微合金化铸钢的性能测试数据见表1。

实施例2

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢由以下质量百分比的成分 组成：C 0.30％，Si 0.30％，Mn 1.20％，Cr 0.20％，Ni 0.31％，Mo 0.39％， S 0.008％，P 0.010％，Al 0.048％，Ce 0.038％，余量为Fe。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的制备方法为：按照采煤机 摇臂用低碳微合金化铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常 规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为910℃ 的加热炉中保温5h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为900℃的加热炉 中保温3h后风冷进行正火处理、在温度为500℃的加热炉中保温4h后空 冷进行时效处理，得到低碳微合金化采煤机摇臂用铸钢。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相组织如图2所示，由 图2可知该铸钢为“珠光体+铁素体”结构，组织均匀致密。本实施例采煤 机摇臂用低碳微合金化铸钢的性能测试数据见表1。

实施例3

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢由以下质量百分比的成分 组成：C 0.27％，Si 0.41％，Mn 1.13％，Cr 0.33％，Ni 0.35％，Mo 0.45％， S 0.006％，P 0.013％，Al 0.03％，Ce 0.04％，余量为Fe。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的制备方法为：按照采煤机 摇臂用低碳微合金化铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常 规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为930℃ 的加热炉中保温4h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为920℃的加热炉 中保温3h后风冷进行正火处理、在温度为550℃的加热炉中保温3h后空 冷进行时效处理，得到低碳微合金化采煤机摇臂用铸钢。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相组织如图3所示，由 图3可知该铸钢为“珠光体+铁素体”结构，组织均匀致密。本实施例采煤 机摇臂用低碳微合金化铸钢的性能测试数据见表1。

实施例4

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢由以下质量百分比的成分 组成：C 0.25％，Si 0.42％，Mn 1.1％，Cr 0.40％，Ni 0.29％，Mo 0.42％，S 0.007％，P 0.012％，Al 0.052％，Ce 0.03％，余量为Fe。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的制备方法为：按照采煤机 摇臂用低碳微合金化铸钢的成分设计要求进行配料，先在电弧炉中进行常 规电弧熔炼，再在精炼炉中进行常规精炼处理，然后依次在温度为930℃ 的加热炉中保温4h后炉冷进行均匀化退火处理、在温度为900℃的加热炉 中保温4h后风冷进行正火处理、在温度为500℃的加热炉中保温3h后空 冷进行时效处理，得到低碳微合金化采煤机摇臂用铸钢。

本实施例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的金相组织如图4所示，由 图4可知该铸钢为“珠光体+铁素体”(F+P)结构，组织均匀致密。本实施 例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的性能测试数据见表1。

对比例1

本对比例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢与实施例1的不同之处仅在 于：不含Ce。本对比例采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的制备方法与实 施例1相同，其性能测试数据见表1。

表1  本发明采煤机摇臂用低碳微合金化铸钢的性能测试数据

表1中各符号分别表示：Cel—屈服强度，Rm—抗拉强度，A—延伸 率，Z—断面收缩率，HB—布氏硬度，a_KU—冲击韧性。

由表1可知，采用本发明铸钢的成分设计及其对应的热处理工艺，能 够获得高的强硬度和优良的冲击韧性、低的碳当量和低的合金成本的铸 件，更能符合采煤机用大型摇臂的需要。

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。