一种提高刮板运输机中部槽槽帮铸钢件强韧性的热处理方法

1.本发明涉及铸钢件的热处理技术领域，具体为一种大幅提高刮板运输机中部槽槽帮铸钢件强韧性的分级固溶淬火、立即低温回火的短流程热处理方法。


背景技术：

2.刮板输送机是煤炭开采过程中最主要的运输设备。中部槽作为其中磨损量和使用量最大的主要部件之一，在开采过程中承受压力、摩擦、冲击等复杂工况，要求具有高强度、高韧性、良好的耐磨性和焊接性能。目前，我国中部槽槽帮多采用zg30simn铸钢材料。传统zg30simn铸钢槽帮表面硬度不足、耐磨性较差，使用寿命较低。此外，zg30simn中c、si含量较高，碳当量及冷裂敏感系数大，槽帮与中板在焊接过程中容易产生热裂纹和焊接冷裂纹，而新型高强耐磨中板材料的使用，使得槽帮与中板性能不匹配导致中部槽整体寿命降低的问题愈加凸显。zg30simn铸钢件一般采用正火细化奥氏体晶粒、促进成分均匀；再经高温固溶淬火转变为具有高应变间隙固溶碳原子的体心正方马氏体和残余奥氏体、随后高温回火进行调质实现铁素体基体上细小碳化物的弥散分布，形成回火马氏体，降低组织内部残余内应力。经正火和调质处理后其抗拉强度一般为720mpa、断后伸长率为10%、硬度为220~280hbw。
3.现有提高zg30simn铸钢槽帮材料力学性能的方法主要有：微合金化和热处理。zg30simnmo经调质处理后抗拉强度为850~1000mpa、断后伸长率≥10%、硬度为230~280hbw。《金属热处理》第40卷第10期公开了“化学成分及热处理对槽帮铸钢力学性能的影响”，zg26simnmov通过调质处理所制备的铸钢抗拉强度≥1000mpa，硬度为300~350hbs。cn107475619a专利申请公开了“一种超硬粒子增强型索氏体矿用槽帮耐磨铸钢及其制造方法”，通过在zg30simnmo中添加超硬tic粒子提高耐磨性，经淬火和回火的热处理方法所制备的铸钢屈服强度≥780mpa，抗拉强度≥860mpa，伸长率≥8%，室温冲击功≥20j，硬度250~280hbw，耐磨损性能是zg30mnsimo的1.5倍。然而，上述方法仍未能实现槽帮材料强度、塑韧性、硬度、耐磨性的最佳匹配。


技术实现要素：

4.本发明目的在于解决上述技术问题，提供一种刮板运输机的中部槽槽帮铸钢件的热处理方法。
5.铸钢件的奥氏体化温度和时间至关重要。奥氏体化温度较低或时间较短，将导致碳化物颗粒不能完全溶解或溶解的碳元素分布不均匀，因此形成的马氏体硬度不足、残余奥氏体含量过高、尺寸粗大，材料的强度、塑韧性较差。常规槽帮铸钢在正火和淬火热处理时需要两次被升至高温并长时间保温。而过高的奥氏体化温度和加热时间的延长，使得奥氏体晶粒粗大，导致淬火过程中马氏体形核数量减少、形成的马氏体晶粒粗大；残余奥氏体数量增加且粗大奥氏体晶粒更不稳定，在后续焊接加工及使用时向马氏体转变的倾向性加剧、由此发生体积膨胀产生内应力而导致冷裂纹。此外，常规采用的高温回火导致粗大碳化
物颗粒的形成和聚集，使铸钢的冲击韧性急剧下降。
6.因此，本发明采用分级固溶淬火并立即回火的方法代替原有正火加淬火、回火进行调质的热处理方式，通过分级短时固溶处理并淬火的方法实现均匀成分、细化晶粒、控制碳化物析出、获得细小板条状马氏体及少量残余奥氏体组织；通过立即回火，从过饱和马氏体中析出部分碳元素扩散进入残余奥氏体中稳定奥氏体，从而实现大幅度提高铸钢强度、塑韧性的目的。本发明采用如下技术方案实现：一种提高刮板运输机中部槽槽帮铸钢件强韧性的热处理方法，具体为：对槽帮铸钢件在850~870℃和890~910℃的温度下进行“分级固溶、淬火”，之后立即在270~290℃温度下进行“回火”。
7.进一步的，“分级固溶、淬火”工艺为将槽帮铸钢件放置于热处理炉中，由室温以每分钟5~10℃的速度随炉升温至850~870℃，保温0.5~1小时，然后以每分钟5~10℃的速度升温至890~910℃，保温2.5~3小时，取出试样进行水淬。
8.进一步的，
ꢀ“
回火”工艺为将淬火后的试样立即放置于270~290℃的热处理炉中，保温2.5~3小时，取出试样空冷。
9.进一步的，槽帮铸钢件含有c、si、mn、p、s、cr、mo、al，各元素质量百分含量为c：0.20~0.25%，si：0.40~0.55%，mn：1.7~1.9%，p：≤0.03%，s：≤0.03%，cr：0.4~0.6%，mo：0.3~0.5%，al：≤0.05%，re稀土：0.01%，余量为fe和不可避免的杂质元素。
10.本发明所用铸钢不同于常规zg30simn中碳锰系低合金钢，其c含量较低、si含量略高、增加了cr、mo、al等合金元素，在提高铸钢淬透性的同时，具有阻止碳化物颗粒聚集、细化奥氏体晶粒、提高铸钢耐腐蚀性的作用。
11.将铸钢件随炉升温（升温速率为5~10℃/min）至860℃保温1小时完成铁素体向奥氏体的晶体结构转变、渗碳体颗粒的充分溶解和碳元素的均匀分布；继续升温（升温速率为5~10℃/min）至900℃保温3小时进一步使未熔合金碳化物完全溶解固溶于奥氏体基体中、并使碳及其它合金元素均匀分布，以此获得细小均匀的奥氏体晶粒组织，有利于淬火后获得细小的板条状马氏体和稳定性更好的残余奥氏体组织。
12.为保证亚稳态奥氏体完全转变为淬火马氏体，选用水淬方式进行淬火。淬火过程中，当淬火马氏体数量增加时，这种亚稳态的马氏体脆性极高，有潜在开裂的风险，且这种亚稳态马氏体在室温条件下，也会随时间发生晶体结构等不同程度的变化，因此，需要立即回火。在280℃保温3小时完成低温回火，消除淬火后工件中残余的内应力，同时实现淬火马氏体与残余奥氏体之间的碳扩散。在介于m
s
和m
f
之间的温度保温，高浓度硅将阻碍马氏体中过饱和碳形成渗碳体。因此，马氏体中多余的碳扩散进入具有更高溶碳量的面心立方残余奥氏体中，冷却至室温可获得更加稳定的富碳奥氏体。
13.本发明所述槽帮铸钢件热处理工艺采用随炉升温的方式加热铸件、分级固溶加淬火的方式进行淬火、立即低温回火的方式进行回火，本发明方法所得槽帮铸钢件的抗拉强度达1506mpa以上、断后伸长率达20%以上，平均硬度达到534.83 hv0.5以上。槽帮铸件既满足强度和硬度的要求，同时也大幅提高了铸钢件的塑韧性。采用本发明方法处理的槽帮铸钢件实现了槽帮材料强度、塑韧性、硬度、耐磨性的最佳匹配，节省了槽帮的维修成本与生产时间，降低了槽帮焊裂的风险，提高了槽帮的使用寿命，具有很好的实际应用价值。
附图说明
14.图1表示本发明的槽帮铸钢件的热处理工艺流程图。
15.图2表示实施例1制得的高强韧槽帮铸钢件的om图。
16.图3表示对比例1铸件的om图。
17.图4表示对比例2铸件的om图。
具体实施方式
18.为使本发明目的、工艺方案及优点更为清晰，现结合附图和具体实施例对本发明进行详细解释。应当理解，所述的具体实施例仅是对本发明的某些特殊方面、特定性和实施方案的解释，并不用于限制本发明。
19.本发明实施例中，一种提高刮板运输机中部槽槽帮铸钢件强韧性的热处理方法，其中，槽帮铸钢含有c、si、mn、p、s、cr、mo、al，各元素质量百分含量为c：0.20~0.25%，si：0.40~0.55%，mn：1.7~1.9%，p：≤0.03%，s：≤0.03%，cr：0.4~0.6%，mo：0.3~0.5%，al：≤0.05%，re稀土：0.01%，余量为fe和不可避免的杂质元素。
20.实施例1一种槽帮铸钢件的热处理工艺，步骤如下：淬火：将铸钢试样由室温置于热处理炉中，随炉升温（升温速率为5~10℃/min）至860℃，保温1小时，然后升温（升温速率为5~10℃/min）至900℃，保温3小时，出炉水淬；回火：立即将淬火后铸钢试样置于280℃的热处理炉中，保温3小时，出炉空冷。
21.所得槽帮铸钢件如图2。
22.由图2可以看出铸钢组织主要由细小、均匀分布的板条马氏体与奥氏体组成，细小板条马氏体为槽帮铸钢提供了高强度、高硬度，其间分布的细小均匀奥氏体为槽帮铸钢提供了良好的塑韧性，实现了槽帮铸钢强度、硬度、塑韧性的高度配合。
23.对比例1本对比例的槽帮铸钢件的热处理工艺，步骤如下：淬火：将铸钢试样置于热处理炉中，随炉升温（升温速率为5~10℃/min）至860℃，保温1小时，然后升温（升温速率为5~10℃/min）至900℃，保温3小时，出炉水淬；回火：立即将淬火后铸钢试样置于280℃的热处理炉中，保温6小时，出炉空冷。
24.对比例2本对比例的槽帮铸钢件的热处理工艺，步骤如下：淬火：将铸钢试样置于热处理炉中，随炉升温（升温速率为5~10℃/min）至860℃，保温1小时，然后升温（升温速率为5~10℃/min）至900℃，保温3小时，出炉水淬；回火：将淬火后的铸钢试样在空气中静置5小时候后放入280℃的热处理炉中，保温3小时，出炉空冷。
25.将实施例1与对比例1、2所得槽帮铸件的机械性能进行对比，其中，表1为槽帮铸件经过不同热处理工艺的机械性能。
26.表1槽帮铸件经过不同热处理工艺的力学性能
从表1中可以看出，实施例1具有优异的强度、塑性以及硬度。其中对比例1、2的强度不及实施例1，原因为：对比例1中回火保温时间过长，马氏体中过饱和的碳以碳化物颗粒形式大量析出并在局部团聚，导致回火马氏体的硬度、强度显著降低，合金的强度、塑性、硬度下降；对比例2中淬火与回火工艺间隔时间过长，淬火后槽帮铸钢内部为亚稳态马氏体组织且有较大的残余内应力，相变与内应力两者叠加使组织变形增加易于开裂，导致强度降低。
27.本发明方法以分级固溶淬火、立即回火的方法代替原有正火、淬火+回火调质的方法，最大限度地控制奥氏体化温度、固溶温度、回火温度与时间，在对碳及合金元素分布进行有效控制的同时、细化奥氏体晶粒，获得细小均匀的板条状马氏体及少量稳定的残余奥氏体组织，所得铸件既满足强度和硬度要求，同时大幅提高了铸件的塑韧性，降低了铸件焊裂的风险与维修成本，提高了铸件的使用寿命，同时节省能耗、缩短生产时间，显著降低生产成本。
28.以上所述的实施例仅是对本发明的特殊性进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，对本发明的技术方案做出的各种修改、等同替换和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
29.另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
30.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。