CN109136764A - 一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大型厚壁轴类铸钢件铸造生产领域，涉及一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法。本发明生产大型厚壁轴类铸钢件材料冶炼时采用电弧炉EAF、精炼炉LF、真空脱氧炉VD、精炼炉LF熔炼工艺冶炼，浇注工艺采用氩气保护浇注，并采用淬火和高温回火的热处理工艺方法。采用本发明方法，在保证低碳低合金钢能够获得高的强度的同时，提高了低温冲击韧性，且冲击的各组值相对较为均匀，偏差值减小；铸钢件金相组织更是有利于该类型材料在低温环境下使用的综合性能，发掘了材料的潜能，为该材质进入更广阔的使用市场提供了有力的数据支持。同时采用本发明方法，工艺流程较短，操作简单，利于铸钢件生产，并提高生产效率、节约成本。

Description

一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法

技术领域

本发明属于大型厚壁轴类铸钢件铸造生产领域，涉及一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法。

背景技术

齿轮箱是风力发电机组中的一个重要机械部件，其中输入轴是风电齿轮箱不可缺少部件，主用来支持齿轮箱旋转零件，即要承受转矩，又要承受弯矩。其直接影响到齿轮箱的工作效率，因此齿轮箱转轴的机械性能至关重要。目前风电机组已由3MW进入到5MW、6MW时期，输入轴的尺寸变大、吨位增加、壁厚增大，使得铸造难度更大。

目前国内外这类主轴多数选择42CrMo4、34CrNiMo6、30CrNiMo8等Cr-Mo、Cr-Ni-Mo等中碳低合金钢，分别对应750-900MPa和 800-1000MPa两个强度级别。多数采用锻造轴或电渣重熔技术，以使轴组织更致密，均匀，纯净度更高，从而满足高的强度要求和低温的高冲击要求。GS18NiMoCr3-6有少量的文献介绍，比如王晓燕、李晓宏、赵秀峰的《GS18NiMoCr3-6风力发电机组扭力轴热处理工艺研究》研究了一种有效截面尺寸为φ280mm扭力轴铸钢件在具体的实际成分下的不同淬火温度（920℃~950℃），不同淬火介质（油冷 、水冷），不同回火温度（570℃~610℃）下的力学性能。最终确定930℃保温3h淬火水冷，590℃保温6h回火空冷的热处理方法来实现了抗拉强度Rm为835 MPa~850MPa，屈服强度Rp0.2为715MPa~725MPa，延伸率A为16%~17% ,-40℃低温冲击AK_V为45~84J。每组冲击值最小值与最大值偏差15%~53%。

欧洲标准EN10340-2007中有关GS18NiMoCr3-6的热处理工艺推荐为，淬火温度900℃~980℃，液体淬火，对于壁厚≤80mm，回火温度在580℃~620℃下的力学性能：抗拉强度Rm为830MPa~980MPa，屈服强度Rp0.2≥700MPa，延伸率A≥12% ,-40℃低温冲击AK_V≥27J。对于壁厚≤150mm，回火温度在590℃~630℃下的力学性能：抗拉强度Rm为780 MPa ~930MPa，屈服强度Rp0.2≥630MPa，延伸率A≥12% ,-40℃低温冲击AK_V≥27J。

按照上述文件所述对有效截面尺寸为φ280mm的轴，按上述工艺，拉伸、冲击都可以满足大型厚壁轴类铸钢件要求，但冲击值偏差较大；

本发明所述厚壁轴类铸钢件最小轮廓尺寸φ1696*2243mm，毛重8t以上，最大壁厚300mm以上，铸钢件力学性能方面要求抗拉强度Rm≥780MPa，屈服强度Rp0.2≥630MPa，延伸率A≥12%，-40℃低温冲击AK_V≥27J。

从欧洲标准以及日常生产现场经验来看，随着铸钢件壁厚增加，同样淬回火条件下，抗拉强度下降明显。对于壁厚大于300mm的大型厚壁轴类铸钢件，吨位较大，如果依然沿用以上论文和标准中推荐的热处理参数，对这种成分的铸钢件采用常规的淬火+回火的热处理工艺方法,所得到的抗拉强度一般为780MPa~810MPa、屈服强度为640MPa~670MPa、延伸率为17%~19%、断面收缩率为57%~64%、-40℃条件下的冲击韧性Akv均值为20J~40J。

对照本发明所述铸钢件性能标准要求来看，强度基本都满足要求，但处于标准要求下限，韧性较低或不稳定，大部分冲击韧性Akv值达不到最低标准要求。每组冲击值最小值与最大值偏差为30%~300%。另外铸钢件组织中有5%~20%的非马氏体组织（珠光体或贝氏体、铁素体）等组织产生，金相组织不均匀，影响材料强度，降低材料韧性，增大韧性偏差值。

现有的技术措施主要是降低回火温度，强度提升上去了，但低温冲击却降低了，达不到要求；或者是提高回火温度，低温冲击提升达到了要求值，但强度则下降达不到要求。另外的技术措施是采用淬火—淬火—回火，或者正火—淬火—回火的方式，淬火介质多采用自来水，回火为高温回火。但这两种方式相比原来的淬火—回火增加了铸钢件加热次数，成本和生产周期都明显增加，而且改进效果不是很好。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供即能提高低碳低合金钢厚壁铸钢件的强度，同时又能提高铸钢件的低温冲击韧性，并减小冲击韧性偏差值的方法，而且该方法成本低、效率高、操作简单。使铸造出的铸钢件直接达到中碳低合金钢锻件的效果，实现以铸造代替锻造且不用采用电渣重熔的冶炼生产方法。本发明生产大型厚壁轴类铸钢件材料冶炼时采用电弧炉EAF、精炼炉LF、真空脱氧炉VD、精炼炉LF熔炼工艺冶炼，浇注工艺采用氩气保护浇注，并采用淬火和高温回火的热处理工艺方法。

本发明提供一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，铸钢件最小轮廓尺寸φ1696*2243mm，毛重8t以上，最大壁厚300mm以上，铸钢件力学性能方面要求抗拉强度Rm≥780MPa，屈服强度Rp0.2≥630MPa，延伸率A≥12%，-40℃低温冲击AK_V≥27J。所述大型厚壁轴类铸钢件的材质的化学成分为，0.18%≤C≤0.20%，0.25%≤Si≤0.39%，0.90%≤Mn≤1.18%，P≤0.012%，S≤0.009%，0.65%≤Cr≤0.85%，0.55%≤Mo≤0.68%，0.80%≤Ni≤1.00%，0.005%≤V≤0.010%，0.015%≤Al≤0.02%，0.01%≤Ti≤0.03%，其余为Fe及残余元素。

所述大型厚壁轴类铸钢件的生产方法包括如下步骤：

电弧炉EAF：选用的原辅材料为废钢和生铁，所述原辅材料在电弧炉熔化，脱P操作至P≤0.006%，吹氧脱碳操作，脱碳量大于0.4%；

精炼炉LF：针对钢液进行充分还原，取样分析，若S＜0.015%，则加入合金调整成分；成分调整符合标准，将温度升高至1630℃~1660℃；

真空脱氧炉VD：抽真空至真空度＜67Pa，保持时间大于20min；

精炼炉LF：温度升高至1565℃~1575℃出钢浇注;

浇注：吹氩保护浇注，氩气保持压力为0.1Mpa~0.2Mpa，时间为30min~ 50min。

热处理：将打箱、预清理完毕后的所述轴类铸钢件进行热处理，采用淬火和高温回火的热处理工艺方法。

进一步地，所述电弧炉EAF步骤中出钢温度在1620℃~1650℃之间，出钢速度大于7t/min。

进一步地，所述热处理步骤中，所述淬火保温温度为930℃~950℃，保温时间为5h~7h。

进一步地，所述淬火介质为浓度5%~10%的盐水。

进一步地，所述盐水温度在淬火槽内保持20℃~40℃。

进一步地，所述热处理步骤中，所述回火温度为610℃~630℃，保温时间7h~10h。

本发明有如下效果：

采用本发明方法，在保证低碳低合金钢能够获得高的强度的同时，保证了低温冲击韧性能够很大的提高，且冲击的各组值相对较为均匀，偏差值减小；铸钢件金相组织更是有利于该类型材料在低温环境下使用的综合性能，发掘了材料的潜能，为该材质进入更广阔的使用市场提供了有力的数据支持。同时采用本发明方法，工艺流程较短，操作简单，利于铸钢件生产，并提高生产效率、节约成本。

采用本发明方法，铸钢件的各项力学性能指标结果如下：抗拉强度850MPa~900MPa、屈服强度为710MPa~740MPa、延伸率≥15%、断面收缩率≥45%、-40℃冲击韧性均值AKv为70J~90J，每组冲击值最小值与最大值偏差10%~30%，实现了高的强度和高的低温韧性及低的韧性偏差。

本发明方法对同类型材质铸钢件或其它碳钢件、低合金钢件提高强度和冲击韧性具有一定的借鉴和指导作用。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提供一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，铸钢件最小轮廓尺寸φ1696*2243mm，毛重8t以上，最大壁厚300mm以上，铸钢件力学性能方面要求抗拉强度Rm≥780MPa，屈服强度Rp0.2≥630MPa，延伸率A≥12%，-40℃低温冲击AK_V≥27J。所述大型厚壁轴类铸钢件的材质的化学成分为，0.18%≤C≤0.20%，0.25%≤Si≤0.39%，0.90%≤Mn≤1.18%，P≤0.012%，S≤0.009%，0.65%≤Cr≤0.85%，0.55%≤Mo≤0.68%，0.80%≤Ni≤1.00%，0.005%≤V≤0.010%，0.015%≤Al≤0.02%，0.01%≤Ti≤0.03%，其余为Fe及残余元素。

所述大型厚壁轴类铸钢件的生产方法包括如下步骤：

电弧炉EAF：选用的原辅材料为废钢和生铁，所述原辅材料在电弧炉熔化，脱P操作至P≤0.006%，吹氧脱碳操作，脱碳量大于0.4%。

具体地，电弧炉EAF步骤中出钢温度在1620℃~1650℃之间，出钢速度大于7t/min。

精炼炉LF：针对钢液进行充分还原，取样分析，若S＜0.015%，则加入合金调整成分；成分调整符合标准，将温度升高至1630℃~1660℃。

具体地，加入合金可以减少夹杂物的产生，且调整成分需要通过3~4次逐步调整直至达到标准含量。

真空脱氧炉VD：抽真空至真空度＜67Pa，保持时间大于20min。

具体地，钢液进入真空脱氧炉VD处理前，需要将扒除钢液中的钢渣量大于90%。

精炼炉LF：温度升高至1565℃~1575℃出钢浇注。

具体地：通过熔炼控制P、S、O的含量使铸钢件中P≤0.012%，S≤0.009%，最终O含量≤0.005%，铸钢件及试块夹杂物等级≤粗系1.0级，≤细系1.5级，夹杂物面积＜0.1%。

浇注：吹氩保护浇注，氩气保持压力为0.1Mpa~0.2Mpa，时间为30min~ 50min。

具体地，为避免浇注二次氧化而影响到铸钢件质量，浇注采用吹氩保护浇注，将氩气管子从铸钢件冒口伸入铸钢件型腔内部，保持氩气压力0.1Mpa ~0.2Mpa，吹氩时间在30min~50min，并将冒口用石棉布盖住，防止氩气漏出，待浇注钢包吊到铸钢件型腔前准备浇注时，在浇注前1min将氩气管子、石棉布撤掉开始浇注。

热处理：将打箱、预清理完毕后的所述轴类铸钢件进行热处理，采用淬火和高温回火的热处理工艺方法。

具体地，淬火保温温度为930℃~950℃，保温时间为5h~7h，淬火介质为浓度5%~10%的盐水，淬火槽内循环冷却***保持盐水温度在20℃~40℃，同时淬火槽内根据铸钢件形状结构布置机械搅拌泵来搅拌盐水，使淬火烈度H值达到2~3即可。铸钢件连续淬火整体冷却到100℃~200℃后进炉回火，回火温度为610℃~630℃，保温时间7h~10h，保温时间结束后，铸钢件出炉自然空冷。回火时间过长，则材料的强度和硬度会有下降趋势。回火时间过短，铸钢件组织分解不充分，应力释放不完全，则强度较高而韧性不足。铸钢件淬火回火后的金相组织中非M组织（贝氏体、珠光体或者铁素体）总量≤5%，组织均匀。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，所述大型厚壁轴类铸钢件的材质的化学成分为，0.18%≤C≤0.20%，0.25%≤Si≤0.39%，0.90%≤Mn≤1.18%，P≤0.012%，S≤0.009%，0.65%≤Cr≤0.85%，0.55%≤Mo≤0.68%，0.80%≤Ni≤1.00%，0.005%≤V≤0.010%，0.015%≤Al≤0.02%，0.01%≤Ti≤0.03%，其余为Fe及残余元素。

2.根据权利要求1所述一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，其特征在于，所述大型厚壁轴类铸钢件的生产方法包括如下步骤：

电弧炉EAF：选用的原辅材料为废钢和生铁，所述原辅材料在电弧炉熔化，脱P操作至P≤0.006%，吹氧脱碳操作，脱碳量大于0.4%；

精炼炉LF：针对钢液进行充分还原，取样分析，若S＜0.015%，则加入合金调整成分；成分调整符合标准，将温度升高至1630℃~1660℃；

真空脱氧炉VD：抽真空至真空度＜67Pa，保持时间大于20min；

精炼炉LF：温度升高至1565℃~1575℃出钢浇注；

浇注：吹氩保护浇注，氩气保持压力为0.1Mpa~0.2Mpa，时间为30min~ 50min；

热处理：将打箱、预清理完毕后的所述轴类铸钢件进行热处理，采用淬火和高温回火的热处理工艺方法。

3.根据权利要求2所述一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，所述电弧炉EAF步骤中出钢温度在1620℃~1650℃之间，出钢速度大于7t/min。

4.根据权利要求2所述一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，所述热处理步骤中，所述淬火保温温度为930℃~950℃，保温时间为5h~7h。

5.根据权利要求4所述一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，所述淬火介质为浓度5%~10%的盐水。

6.根据权利要求5所述一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，所述盐水温度在淬火槽内保持20℃~40℃。

7.根据权利要求2所述一种大型厚壁轴类铸钢件的生产方法，其特征在于，所述热处理步骤中，所述回火温度为610℃~630℃，保温时间7h~10h。