一种大型破碎锤活塞轴用钢材及其制造方法 |
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| 申请号 | CN202311591801.5 | 申请日 | 2023-11-27 | 公开(公告)号 | CN117867374A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 江阴兴澄特种钢铁有限公司; 宁波紫微星金属科技有限公司; | 发明人 | 尹青; 孙立科; 华刘开; 白云; 吴小林; 陈敏; 李文彬; 刘烨; 孟羽; 薛科; 曾海霞; 谭亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种大型 破碎 锤 活塞 轴用 钢 材及其制造方法，以 铁 为 基础 元素，包含的其他化学组分 质量 百分比：C：0.85～1.10％，Si：0.15～0.70％，Mn：0.25～1.20％，Cr：1.05～1.60％，S≤0.020％，P≤0.020％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，Mo≤0.10％，Al：0.015～0.050％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0030％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％；活塞轴满足：O≤6ppm，Ti≤15ppm，大颗粒不可 变形 夹杂物按ISO 4967‑2013评级≤1.0级，产品表面硬度≥61HRC，心部硬度≥40HRC，表面硬化层厚度不低于10mm，表面硬化层厚度内的硬度不低于58HRC。活塞轴母料制造( 连铸 连轧+组织预处理)—活塞轴加工— 热处理 (车加工+淬、回火+磨加工)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大型破碎锤活塞轴用钢材，其特征在于：以铁为基础元素，包含的其他化学组分质量百分比：C：0.85～1.10％，Si：0.15～0.70％，Mn：0.25～1.20％，Cr：1.05～1.60％，S≤ |
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| 说明书全文 | 一种大型破碎锤活塞轴用钢材及其制造方法技术领域[0001] 本发明属于特殊钢材技术领域，具体涉及第一种高硬度的轴类钢材及其制造方法。 背景技术[0002] 破碎锤属于一种新型高效的冲击振动机具，是挖掘机或装载机的一个配套工作部件，工作时借助工作母机输出的高压油实现破碎器活塞在缸体中的高频往复运动，从而打击钎杆，对外做功，其应用于矿山开采、冶金工业、市政工程、建筑施工、公路铁路等诸多领域。其中，活塞是破碎锤的关键零件，破碎锤活塞在工作中与缸体有着连续的高速相对往复运动，运动往复间存在着剧烈的摩擦，下端面又要频繁撞击钎杆，承受冲击应力。因此，破碎锤活塞设计制造的好坏直接影响到破碎锤工作的可靠性和寿命，而工作可靠性和寿命又与制造活塞材料密切相关。材料的选择是活塞设计的关键问题，他决定活塞设计的成功与失败，决定零件寿命的长短，目前破碎锤活塞多选用低碳合金渗碳钢和中碳合金渗碳钢制造，具有抗拉强度较低、材料热处理后芯部强度低的缺点，在大中型液压破碎锤强大的冲击作用下，活塞易出现打击端面凹陷和端部镦粗现象。 [0003] 专利公开号CN 101574769 A的专利文献公开了一种活塞轴的表面处理方法，将材料进行渗碳处理，渗碳层深度约3mm，然后活塞圆周和打击面分别去除1.5mm和2mm的深度。该方法热处理成本高，周期长，表面加工后硬度层比较浅，耐磨性不强，影响活塞轴寿命，容易造成拉伤甚至开裂。 [0004] 专利公开号CN102796964A的专利文献公开了采用18Cr2Ni4WA作为活塞轴原材料，采用锻造、正火并高温回火、机械加工、渗碳处理、淬火处理、深冷处理、低温回火在精加工的方法。材料含大量Ni、Cr、W等贵重合金，生产成本高昂。加工及热处理工艺复杂，且产品实际心部硬度只有30‑40HRC，没有解决大型活塞轴芯部硬度低的缺点，易出现打击端面凹陷和端部镦粗现象。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种大型破碎锤活塞轴用钢材及其制造方法，元素成分上不依赖贵重合金的添加，原料成本经济、热处理简单、能满足大型破碎锤活塞耐摩擦、冲击性能好。 [0006] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大型破碎锤活塞轴用钢材，以铁为基础元素，包含的其他化学组分质量百分比：C：0.85～1.10％，Si：0.15～0.70％，Mn：0.25～1.20％，Cr：1.05～1.60％，S≤0.020％，P≤0.020％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，Mo≤ 0.10％，Al：0.015～0.050％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0030％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。 [0007] 本申请所述钢材加工制造的活塞轴满足：O≤6ppm，Ti≤15ppm，大颗粒不可变形夹杂物按ISO 4967‑2013评级≤1.0级，产品表面硬度≥61HRC，心部硬度≥40HRC，表面硬化层厚度不低于10mm，表面硬化层厚度内的硬度不低于58HRC。 [0008] 与公开号CN102796964A所公开的钢材化学成分相比，本申请无需添加贵重金属Ni和W，采用高碳高锰设计。 [0009] 以下对本发明中所含组分的作用及用量选择做如下说明： [0010] 1)C含量的确定：破碎锤活塞在工作中与缸体有着连续的高速相对往复运动，运动往复间存在着剧烈的摩擦，C是钢中最经济、最基本的强化元素，与基体形成固溶体组织及碳化物组织，提高材料表面的强度及耐磨性。本发明控制其含量为0.85～1.10％。 [0011] 2)Si含量的确定：Si提高强度、弹性极限和淬透性。它降低C在铁素体中的扩散速度使回火时析出的碳化物不易聚集，增加材料的回火稳定性，使钢材在较低温度回火时既能降低材料中的内应力也使其保持高的硬度。另外，Si可减少活塞轴在往复运动摩擦发热时的氧化作用，提高材料的冷变形硬化率从而提高材料的耐磨性。本发明控制Si含量为0.15～0.70％。 [0012] 3)Mn含量的确定：Mn能提高钢的淬透性，破碎锤活塞下端面在工作中要频繁撞击钎杆，承受较大的冲击应力，为避免端部凹陷和镦粗现象，本发明的Mn含量控制在0.25～1.20％。 [0013] 4)Cr含量的确定：应为本发明提高了C的用量，Cr作为碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。本材料中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。有效保障大尺寸活塞的表面硬度和热处理有硬度层深度，避免表面硬度层低而冲击过程中开裂，本发明Cr含量的范围确定为1.05‑1.60％。 [0014] 5)Al含量的确定：Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，还有细化晶粒作用，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。 [0015] 本发明同时提供了破碎锤活塞轴的制造工艺，整个工艺步骤包括：活塞轴母料制造(连铸连轧‑组织预处理)‑活塞轴加工、热处理(车加工+淬、回火+磨加工)。 [0016] 活塞轴母料的制备方法：按上述化学成分配制冶炼原料，为严格控制粗炼铁水成分，采用铁水预处理技术，在转炉(或电炉)进行粗炼钢液的低磷化和低钛化，通过钢包精炼提高材料纯净度并保证成分稳定，真空脱气后实施全程保护浇注，坯料采用连续轧制成材；2 铸坯截面积不低于150000mm ，高温加热温度1150‑1300℃，高温加热时间≥5小时，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥800℃，轧制压缩比大于6S，轧制规格≥φ155mm。中间坯下坑缓冷，下坑温度≥550℃，缓冷时间不小于48小时。轧材组织为片状珠光体，O≤6ppm，Ti≤15ppm，大颗粒不可变形夹杂物按ISO 4967‑2013评级≤1.0级。 [0017] 为减小大型活塞轴在热处理时的淬火应力，需要对上述钢材提前进行组织均匀化预处理，同时为提高工序效率，活塞轴母料创新采用二段等温球化退火工艺，首先随炉升温至Ac1‑Accm，优选810℃‑825℃，保温5‑6小时后，在此温度段，片状珠光体中的渗碳体开始局部溶解，使一片渗碳体断开为若干细的点状渗碳体，弥散分布在奥氏体基体上；第二阶段等温温度应低于Ar1线20℃在710℃‑730℃保温9‑11小时，而后随炉冷却至450℃以下出炉空冷，由于加热温度较低和渗碳体不完全溶解，造成奥氏体成分不均匀，组织以原有的细碳化物质点为核心，或由奥氏体的富碳区产生新的碳化物核心，形成均匀而细小的颗粒状碳化物。球化组织最终满足GB/T 18254评级2‑4级，硬度179‑207HBW。和普通球化退火相比，该工艺可突破了常规球化退火工艺的极限尺寸，可使≥φ155mm大尺寸活塞轴截面球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 [0018] 以上母材继续通过如下步骤加工活塞轴： [0019] 步骤一、车加工：将活塞轴母料采用常温机械加工的方式，加工到破碎锤的毛件尺寸，最小加工预料不低于0.5mm。 [0020] 步骤二、淬火处理：将活塞轴毛件置于保护气氛的加热炉中进行加热，加热温度为840℃‑860℃，保温4‑6小时，出炉后油淬；表面硬度≥61HRC，心部硬度≥40HRC，表面硬化层厚度不低于10mm(硬化层组织的硬度不低于58HRC)。 [0021] 步骤三、回火处理：回火温度200℃‑260℃，回火时间不低于3小时，充分消除淬火带来的表面硬化层的应力。 [0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于： [0024] (1)按照本发明采用的成分设计，降低了原材料合金成本，根据成分特点，相应的活塞轴热处理省掉了高温渗碳和深冷处理的工艺过程，使得制造工艺更简单。 [0025] (2)本发明采用连铸和连续轧制成材，代替模铸锻造工艺，成材率显著提高，活塞轴母料尺寸精度更高，减少加工余量，同时大大缩减了生产周期，提高了生产效率。 [0026] (3)本发明在未添加合金元素尤其是对淬透性有益的Mo等合金元素的前提下，通过添加Mn、Cr元素，提高了大尺寸破碎锤活塞轴表面淬硬层深度，并增加了材料心部的硬度，能有效杜绝了材料在使用中打击端面凹陷和表面容易拉伤的现象。附图说明 [0027] 图1为本发明活塞轴横截面低倍组织图； [0028] 图2为本发明φ213活塞轴热处理后横截面硬度曲线； 具体实施方式[0029] 以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本实施例中的文字描述是与附图对应的，涉及方位的描述也是基于附图的描述，不应理解为是对本发明保护范围的限制。 [0030] 实施例1‑3对本发明大型活塞轴破碎锤的化学成分和制造方法分别举例。 [0031] 各实施例的化学成分(wt％)参见表1和表2. [0032] 表1 [0033] 实施例 C Si Mn S P Cr Ni Cu A1 Mo 本发明 1 0.95 0.28 0.57 0.002 0.012 1.52 0.02 0.03 0.023 0.02 本发明 2 0.97 0.25 0.57 0.003 0.015 1.48 0.02 0.03 0.020 0.02 本发明 3 0.97 0.25 0.55 0.001 0.009 1.51 0.02 0.03 0.025 0.02 替代品 4 0.43 0.25 0.80 0.05 0.017 0.83 1.68 0.05 0.025 0.23 [0034] 表2 [0035] [0036] [0037] 按本发明化学成分配制冶炼原料，为严格控制粗炼铁水成分，在转炉(或电炉)进行粗炼钢液的低磷化和低钛化，三个实施例的出钢终点C分别控制在0.17‑0.25％，终点P≤0.015％，通过钢包精炼提高材料纯净度并保证成分稳定，真空脱气后实施全程保护浇注，连铸过热度控制在15‑25℃之内。实物质量O≤4.5ppm，Ti≤19ppm，达到了高端大型活塞轴的应用要求。 [0038] 各实施例的轧制及缓冷工艺如表3所示。 [0039] 表3 [0040] 实施例 轧制规格 加热温度 加热时间 开轧温度 终轧温度 下坑温度 缓冷时间1 φ220mm 1250℃ 5.5h 1150℃ 840℃ 570℃ 50h 2 φ215mm 1245℃ 5.7h 1140℃ 830℃ 560℃ 50h 3 φ200mm 1252℃ 5.7h 1145℃ 810℃ 571℃ 50h [0041] 将铸坯送至加热炉内通过高温扩散后轧制成目标钢材，具体的轧制工艺为：设置预热段温度控制在650‑900℃，加热段温度控制在1150‑1300℃，并按上限温度控制，高温加热时间不能低于5小时，提高扩散退火的效果，使得碳原子充分扩散和迁移，从而为后续组织预处理提供良好的基础条件。轧制开轧温度控制在1000℃‑1150℃，終轧温度控制在800℃以上，轧制完成后应将钢材放入缓冷坑中缓慢冷却，使得轧制及冷却应力充分释放，避免应力断裂。 [0042] 各实施例钢材热处理后的性能见表4 [0043] 表4 [0044] [0045] 钢材组织预处理采用二段等温球化退火工艺，首先随炉升温至810℃‑825℃，保温5‑6小时后，第二阶在710℃‑730℃保温9‑11小时，而后随炉冷却至450℃以下出炉空冷，此时钢材球化组织，硬度179‑207HBW。采用常温机械车加工的方式将钢材车加工去除表面氧化铁皮和脱碳层，而后将钢材毛件置于保护气氛的加热炉中进行加热，加热温度为840℃‑ 860℃，保温4‑6小时，出炉后油淬；淬火处理后在按回火温度240℃处理，处理时间210min。 表面硬度≥61HRC，心部硬度≥40HRC，表面硬化层厚度不低于10mm(硬化层硬度不低于 58HRC)，钢材截面的性能见活塞轴横截面低倍组织图和热处理后横截面硬度曲线。采用超精研磨，进行活塞轴尺寸尺寸精度调整，尺寸精度达到±0.18mm，即可完成活塞轴的制作。 [0046] 由表1、2、4可知，本发明以上各实施例中的大型破碎锤与传统的中碳合金钢制作的活塞轴相比，有害元素如氧、钛以及非金属夹杂物控制水平明显要好。特别是在热处理性能方面，本发明的材料表面硬度提高了8‑9HRC，明显提高了活塞轴在活塞套中运行的耐磨性，而且由于淬透性的增加，不仅解决了原有活塞轴表面容易掉肉的现象，同时心部硬度的增加使得在大中型液压破碎锤在强大的冲击作用下，活塞易出现打击端面凹陷和端部镦粗现象。传统的大型活塞轴添加了Ni、Mo等贵重合金，成本也明显不及本发明。 |
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