高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法技术

本发明专利技术涉及一种高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法，化学成分的质量百分数如下：C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%,P：≤0.030%，其余参与元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，V：0.04～0.08%，Ti：0.03～0.06%，Nb：0.005～0.03%，其余含量为Fe。优点：一是通过降低三大主体元素的含量来消除主题元素对材料性能的制约，充分利用微合金元素来弥补三大主体元素含量下降带来的性能的下降；二是利用微合金元素对调质热处理淬火过程的影响，调整热处理工艺参数增加材料的淬透性，从而扩大材料表面细晶粒区及柱状晶区的范围，提高了材料的内部性能；三是实现了材料的一体化，工作平稳性好，延长了产品的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法
本专利技术涉及一种能够解决轮斗挖掘机返回塔铸件在铸造成型过程中材料内部性能下降和低温冲击韧性差的高淬透性、低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法，属铸钢材料制造领域。
技术介绍
传统的SRs2000轮斗挖掘机装配用零部件为了满足工作性能需要和保障结构的安全，在结构设计上往往采用保守设计，增大结构尺寸与重量来保证材料的强度。其中的起主支撑作用的返回塔部件为了满足结构设计要求，往往采用返回塔塔体铸件和传动轴锻件通过键的装配来满足结构工作要求，具体结构形状见图3。一是由于传动采用的是键联接，因此工作的平稳性很难得到保障，同时对于外部环境的适应性也很差，很难做到在不同的作业环境中，使结构处于良好的工作状态；二是传统的轮斗挖掘机材料采用的是标准为BSEN10293中的GE300铸钢材料，往往受强度性能的影响，在抗低温冲击韧性方面相对较差，很难适应作业环境的要求，其GE300化学成分(质量分数)和标准试样力学性能如下：C：0.25～0.35％，Si:0.60～0.80％，Mn:1.20～1.50％,S:≤0.030％,P:≤0.030％,Cr:≤0.30％,Ni:≤0.40％，Mo:≤0.15％,Cu:≤0.25％力学性能：Rp0.2≥300N/㎜2，Rm:≥600N/㎜2,A5％≥16％,Ψ≥30％,AKv≥30J(20℃)。性能测试标准试样为U型试块，试验试样规格为一个￠14mm×150mm拉伸试样和三个10mm×10mm×55mm冲击试样，具体形状尺寸见图4。
技术实现思路
设计目的：避免
技术介绍
中的不足之处，设计一种能够解决轮斗挖掘机返回塔在铸造成型过程中材料内部性能下降和低温冲击韧性差的高淬低温高韧性返回塔整体铸件材料及制作方法。设计方案：为了实现上述设计目的。本申请的关键在于解决采用整体铸钢材料铸造成型代替键联接结构件结构，如何保证铸钢件材料的整体性能满足设计要求的问题，其解决这一问题采用的技术方案是：一是通过降低三大主体元素的含量来减小对材料冲击性能的负面影响，并通过添加微合金元素来弥补三大主体元素含量降低带来的强度性能下降的问题，并且通过添加微合金元素来改变钢液结晶的过程，使金属的结晶更有利于获得细小晶粒，从而提高材料的强度和韧性；二是根据调整后的组分构成，并结合合金元素对热处理的影响，对调质热处理的工艺参数也进行调整，大大加深了调质热处理的淬火深度，提高了材料的内部性能。1、本申请在结构设计上，对轮斗挖掘机部件结构在使用中存在的缺陷进行了新的改进设计，新结构采用铸钢整体铸造代替了返回塔塔体铸件和轴锻件键联接结构，同时为了满足铸造的工艺性，将原来轴锻件部分采用中空设计，其铸钢整体铸造结构如图1。2、为了保证结构的工作性能要求，选用的铸钢材料必须保证结构部件内性能也能达到设计要求，并且要求能适应零下20℃的工作环境。根据结构工作性能的要求，对选用的铸钢材料力学性能提出了如下的技术指标和测试要求：a.力学性能指标：Rp0.2≥300N/㎜2，Rm:≥600N/㎜2,A5％≥18％,Ψ≥30％,AKv≥31J(-20℃)；b.力学性能测试要求：为了保证产品内部性能，测试用试样从140mm×140mm×300mm试块中选取，选取位置为表面向内35mm为试样中心，具体形状尺寸见图2。3、技术难点分析：用传统化学组分构成的GE300浇注的140mm×140mm×300mm试块，通过调质热处理后进行力学性能试验，分别对试块表面、距离表面向内15mm、距离表面向内35mm三个位置取样试验，所获得的力学性能值见图13。从图13测试的结果可以看出，传统GE300材料在20℃常温试验温度下，随着距离表面深度的加深，强度性能和冲击韧性都明显下降，当距离表面深度达到35mm时，强度和冲击韧性都已经无法满足设计工作性能要求；而在-20℃的试验温度下，距离表面深度达到15mm时，冲击性能就已经不能满足设计要求。造成材料性能由表及里下降的主要原因在于：钢液在结晶凝固过程中，由于表面温度下降速率快于中间温度下降速率，造成中间部分奥氏体晶粒长大速度相对较快，因此由表及里晶粒的大小也呈现由细到粗的分布(见图5)。从传统的化学成分构成来看，为了达到材料的强度性能要求，材料组分中的三大主体元素C、Si、Mn三大元素含量往往采用中低含量控制，以下是三大元素对钢性能的影响的分析：(1)碳(C)元素对钢性能的影响(见图6、图8)：碳含量对强度的影响非常大，随着碳含量的增加，抗拉强度和硬度指标明显上升，塑性和韧性指标随之下降，铸件的低温韧性降低，韧性-脆性转变温度升高。碳含量的增加，还会增加钢的冷脆性和时效敏感性。(2)硅(Si)元素对钢性能的影响(见图7、图9、图10)：硅对铁素体具有固溶强化的作用，能提高钢的屈服强度。虽然硅含量在0.60-0.80％时，对于晶粒的影响不大，对于冲击韧性的影响也较小，但是随着硅含量的增加，对于韧性-脆性转变温度的影响甚至比碳还大。(3)锰(Mn)元素对钢性能的影响(见图7、图9)：锰能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响并提高钢的淬透性，在钢中可以起到强化作用，通过热处理使钢获得良好的强度、硬度和耐磨性。但是当锰含量超过1％时，由于在热处理加热过程中易产生奥氏体晶粒长大而使晶粒粗大，而造成铸件韧性下降，同时有过热敏性和回火脆性。根据对传统的GE300化学成分构成进行分析，在高强度的性能下，很难获得较高的冲击韧性，尤其是在低温环境下和材料内部性能上，完全不能满足部件的设计工作性能要求。4、铸造工艺方案和措施：由返回塔塔体铸件和轴锻件键联接结构代采用铸钢材料整体铸造新结构，最根本就是解决传统GE300材料在铸造成型过程中材料内部性能下降和低温冲击韧性差的问题，而材料的综合机械性能主要取决于金属的组织晶粒度大小，要提高铸钢件的综合机械性能，就必须使铸件的凝固更有利于细化晶粒。也就是要扩大铸件的表面细晶粒区及柱状晶区的范围和缩小粗大等轴晶区的范围。根据传统GE300材料的构成来看，现有的三大主体元素C、Si、Mn的组分构成很不利于晶粒的细化，尤其对低温冲击韧性的负影响很大。因此必须对材料组分构成进行调整，同时根据设计要求材料内部也必须保证较高的综合性能，主要从优化组分构成和提高铸件表面细晶粒区及柱状晶的范围两个方面来设计该铸件的生产工艺方案。(1)从主体元素之一C元素对钢性能的影响分析来看(图6、图8)，原来的含量(质量百分数)范围：0.25～0.35％不利于获得高的塑性和韧性，为了能保证获得较高的低温冲击韧性，C组分含量应小于0.25％(质量百分数)。(2)从主体元素之二Si元素对钢性能的影响分析来看(图7、图9、图10)，Si含量(质量百分数)的增加可以增加材料的强度性能，但是会降低材料的韧性。当Si含量(质量百分数)在0.25～0.40％范围内，可以降低钢的熔点，改善流动性，具有良好的脱氧作用，但是质量百分含量超过0.40％，易形成柱状晶，增加热裂倾向。(3)从主体元素之三Mn元素对钢性能的影响分析来看(图7、图9),Mn能提高钢的强度，但是当锰含量(质量百分数)超过1.00％，会降低材料的冲击韧性和提高低温脆性-韧性转变温度。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高淬透性、低温高韧性返回塔整体铸件材料，其特征是化学成分的质量百分数控制范围如下：C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%, P：≤0.030%，V：0.04～0.08%，Ti： 0.03～0.06%，Nb： 0.005～0.03%，其余残余元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，其余含量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种高淬透性、低温高韧性返回塔整体铸件材料，其特征是化学成分的质量百分数控制范围如下：C：0.20～0.25%，Si：0.25～0.40%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.030%,P：≤0.030%，V：0.04～0.08%，Ti：0.03～0.06%，Nb：0.005～0.03%，其余残余元素Cr：≤0.30%，Mo：≤0.15%，Ni：≤0.40%，其余含量为Fe；其制作方法：（1）返回塔整体铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，然后将铸件毛坯连同冒口一起进炉进行去应力预细化正火处理；按常规的热处理要求，正火温度为890±10℃，保温6小时出炉空冷；（2）返回塔整体铸件热处理保温结束，铸件冷却到400～450...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江忠，娄彪，
申请(专利权)人：宝鼎重工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33