专利名称：一种超高强度铸钢及其制备方法和焊接工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铸钢及其制备方法和焊接工艺，尤其涉及一种超高强度铸钢及其制备方法和焊接工艺。
背景技术：
目前，煤矿行业用液压支架上柱窝类、连接头类、导轨等一些零部件都采用铸钢件。由于支架在工作时要承受来自顶板的垂直压力以及大量煤、石下落引起的交变冲击载荷，因此，要求柱窝类铸钢件要具有较好的综合机械性能和很好的焊接性能。随着市场的需要，煤机行业都在大力发展高端的大采高液压支架，由于综采工作面高，支护强度要求也相应地大大提高，这就需要结构件采用大量的高强度钢板，液压支架用钢的强度级别已由50kg、60kg发展到100kg、110kg，甚至到120kg级。结构件的钢板强度提高，柱窝类铸钢件的强度也要与之相匹配，现有的两种常用材质ZG27SiMn和ZG30Cr06的屈服强度、抗拉强度均较低1^、Rm < IOOOMPa,已不能满足产品对材料力学性能的要求。故需要重新开发新型的高强度铸钢材料，其力学性能主要是要求抗拉强度Rm > IOOOMPa0经查询国内外相关国家标准及同行业铸钢规范资料，比较接近上述性能的低合金高强度钢有锻钢AISI8620 (美国钢铁学会标准AISIA29/A^M-2005)，但由于其C和Cr元素含量较低，故其强度不高，而且由于铸钢的性能要比同样成分的锻钢差，故其不能满足使用性能的需要，在其基础上仍需进一步提高。
发明内容
本发明针对现有铸钢强度较低的不足，提供一种超高强度铸钢及其制备方法和焊接工艺。本发明解决上述技术问题的技术方案如下一种牌号为ZG18CrMnM0Re的超高强度铸钢的化学成分重量百分比为C 0. 15% 0.21%，Si 0. 17% 0. 37%，Mn 0. 5% 0. 8 %, Cr 0.7% 1.0%，Mo 0. 45 % 0. 55 %，Ti 0. 02 % 0. 04 %，稀土元素 Re 残留 0. 01% 0. 02%, AImO. 03 0. 05%, S 彡 0. 03%, P 彡 0. 03%，余量为 Fe。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述稀土元素Re是以稀土硅铁合金的形式加入的，所述稀土硅铁合金牌号为 FeSiRe23、FeSiRe26、FeSiRe29、FeSiRe32_A、FeSiRe32_B、FeSiRe35_A 或者 i^SiRe35-B，其中，Re为主要包含铈、镧和钇的混合物。本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下一种超高强度铸钢的制备方法包括以下步骤步骤10 按上述超高强度铸钢的化学成分中除稀土元素和铝元素外的各化学成分配比投料，进行熔炼和除渣处理；步骤20 钢水出炉前在浇包底部加入终脱氧剂Al和混合稀土元素，搅拌均勻，然
4后钢水出炉，在浇包内再次静置捞渣，最后浇注形成工件；步骤30 采用依次退火、正火和调质的工艺过程对工件进行热处理。进一步，所述步骤10包括首先，用废钢和废铁进行配料后并进行熔炼，熔炼温度为1550°C 1580°C ；接着，待废钢和废铁完全熔化后，再加入铬铁合金、钼铁合金和电解镍板，并在出炉前7min lOmin，进行排渣处理；接着，再加入硅铁合金和锰铁合金，并在出炉前aiiin 3min，加入钛铁合金，而后出炉。进一步，所述步骤10中混合稀土元素为稀土硅铁合金，所述稀土硅铁合金牌号为 FeSiRe23、FeSiRe26、FeSiRe29、FeSiRe32-A、FeSiRe32-B、FeSiRe35-A 或者 FeSiRe35_B，其中，Re为主要包含铈、镧和钇的混合物。进一步，所述步骤20中出炉后的钢水的温度为1630°C 1660°C。进一步，所述步骤20中终脱氧剂Al的加入量占钢水重量的0. 08 0. 12%，所述混合稀土元素的加入量占钢水重量的0. 15% 0. 2%。进一步，所述步骤20包括首先，在浇包底部放入终脱氧剂Al和稀土硅铁合金，搅拌均勻，然后钢水出炉，所述稀土硅铁合金尺寸要小于5mm，所述稀土硅铁合金在加入前进行Ih 池的烘烤；接着，将出炉后的钢水转移至浇包内，待钢水在浇包中静置1分钟 3 分钟后捞渣，再在1570°C 1600°C进行浇注形成工件。进一步，所述步骤30包括退火处理的过程是在890°C 910°C下保温200min，当炉内温度降到500°C时拉出自然冷却；正火处理的过程是在900°C 920°C下保温一段时间tl后在空气中冷却；调质处理过程是在890°C 910°C下保温一段时间tl后水淬；所述保温的时间tl = cikD，其中，α为保温时间系数(与炉子有关)，对于合金钢，在箱式炉或井式炉中加热，α取l.aiiin/mm 1.5min/mm;k为工件装炉系数，其根据装炉量的多少而确定的，装炉量大时，K值也应取得较大，一般由实验确定，在这里K取1.8 2.0, D为工件的有效厚度(mm)，D的计算圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短边长，板件取板厚，套筒类工件取壁厚，圆锥体取离小头2/3长度处直径，球体取球径的
0.6 倍；然后再在530 °C 550 °C下保温一段时间t2后水淬，所述保温时间t2 = &i+AnKnD，其中，&ι为附加时间，一般为10 20min ；An为加热系数，井式炉的加热系数为
1.Omin/mm 1. 5min/mm，箱式炉的加热系数为2. Omin/mm 2. 5min/mm，但在实际生产中， 根据装炉量的多少和装炉方式，也要加一个装炉修正系数Kn，取1. O 1. 5，D仍然是工件的有效厚度。本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下一种上述超高强度铸钢的焊接工艺包含在热处理炉中进行焊前预热以及采用气体保护焊和高强低氢焊丝进行焊接焊缝，其中，焊接时层间温度控制在150°C 200°C，焊接电流230Α 260Α，焊接电压26V ^V，焊接速度;350mm/min 450mm/min，手工线能量 15KJ/cm 18KJ/cm。进一步，所述焊接焊缝的步骤后面还包括在热处理炉中进行焊后处理的步骤。进一步，所述焊前预热是在热处理炉中于170°C 190°C下，根据焊接件有效厚度的不同，保温一段时间t3 ；所述焊接焊缝的焊接工艺参数为采用82% Ar+18% CO2富氩气体保护焊，采用90公斤级的高强低氢焊丝焊接；焊接完全后，将焊接件放入热处理炉中进行焊后热处理，具体为在250°C 350°C之间进行焊后消氢处理，根据焊接件有效厚度的不同，保温一段时间t4，且焊接件出炉后的温度< 200°C。进一步，当焊接件有效厚度彡20mm时，保温时间t3为0. 5小时，保温时间t4为2 小时；当20mm <焊接件有效厚度彡60mm时，保温时间t3为1小时，保温时间t4为3小时； 当60mm <焊接件有效厚度彡IOOmm时，保温时间t3为2小时，保温时间t4为4小时。本发明的有益效果是本发明超高强度铸钢提高了 Cr、Mo和M的含量，保持Si和 Mn的含量不变，并添加了元素Ti和RE，而且比常规工业化热处理工艺多了一步正火处理， 与现有ZG27SiMn和ZG30Cr06铸钢材料相比，综合机械性能有显著提高，而且焊接性能优异，综合成本不高，完全能够满足大采高液压支架用铸钢材料的使用要求。
图1为本发明超高强度铸钢热处理后的金相组织图；图2为本发明焊接试块的结构示意图；图3本发明Y型试块的结构示意图；图4本发明焊接试件的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明超高强度铸钢中Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但加入过多会明显降低韧性，故需要降低C的含量来提高韧性；Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性，还可以抑制回火时合金钢中由Cr和Ni引起的第二类回火脆性；由于Cr和Mo的过多加入都会显著降低焊接性能，故需要加入Ti改善焊接性能，而且强碳化物形成元素Ti可以细化晶粒和沉淀强化，提高铸钢强度；稀土(RE)则可细化晶粒并改善非金属夹杂物的形态和分布，显著提高钢的韧性和改善钢的焊接性能；而热处理工艺过程中加一步正火的目的是为了使这些合金元素能以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，并同时起到细化晶粒的作用，在提高强度的同时，适当地改善了钢的塑性和韧性，以达到最佳的综合性能。本发明牌号为ZGlSCrMnMoRe的超高强度铸钢经过调质处理后所得的金相组织为回火索氏体+回火屈氏体。珠光体层片团呈等轴状，尺寸细小且分布均勻，如图1(a)所示，在等轴状的铁素体上均勻分布着细粒状的碳化物，而渗碳体颗粒在光学显微镜下已较难分辨，如图1(b)所示，两者的晶粒度都达9级以上(约15μπι)。通过试验，按照本发明生产的牌号为ZGlSCrMnMoRe的超高强度铸钢与现有的 ZG27SiMn、ZG30Cr06和ZG22CrMnMo的机械性能对比如表1所示。表1低合金高强度钢的力学性能
权利要求
1.一种超高强度铸钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为C 0.15% 0.21%，Si 0. 17% 0. 37%, Mn 0. 5% 0. 8%, Cr 0. 7% 1. 0%，Mo 0. 45% 0. 55%, Ti 0. 02% 0. 04%, 稀土元素 Re残g 0. 01% 0. 02%, Al 残留 0. 03 0. 05%, S^O. 03%, P^O. 03%，余量为 Fe。
2.根据权利要求1所述的超高强度铸钢，其特征在于，所述稀土元素Re是以稀土硅铁合金的形式加入的，其中，Re为包含铈、镧和钇的混合物。
3.一种超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤步骤10 按权利要求1或2所述的超高强度铸钢的化学成分中除稀土元素和铝元素外的各化学成分配比投料，进行熔炼和除渣处理；步骤20 钢水出炉前在浇包底部加入终脱氧剂Al和混合稀土元素，搅拌均勻，然后钢水出炉，在浇包内再次静置捞渣，最后浇注形成工件；步骤30 采用依次退火、正火和调质的工艺过程对工件进行热处理。
4.根据权利要求3所述的超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤10包括 首先，用废钢和废铁进行配料后并进行熔炼，熔炼温度为1550°C 1580°C ；接着，待废钢和废铁完全熔化后，再加入铬铁合金、钼铁合金和电解镍板，并在出炉前7min lOmin，进行排渣处理；接着，再加入硅铁合金和锰铁合金，并在出炉前anin 3min，加入钛铁合金，而后出炉。
5.根据权利要求3所述的超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤10中混合稀土元素为稀土硅铁合金，其中，Re为包含铈、镧和钇的混合物。
6.根据权利要求3所述的超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤20中出炉后的钢水的温度为1630°C 1660°C。
7.根据权利要求3所述的超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤20中终脱氧剂Al的加入量占钢水重量的0. 08 0. 12%，所述混合稀土元素的加入量占钢水重量的0·.15% 0. 2%ο
8.根据权利要求3所述的超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤20包括 首先，在浇包底部放入终脱氧剂Al和稀土硅铁合金，搅拌均勻，然后钢水出炉，所述稀土硅铁合金块状尺寸小于5mm，所述稀土硅铁合金在加入前进行Ih 池的烘烤；接着，将出炉后的钢水转移至浇包内，待钢水在浇包中静置1分钟 3分钟后捞渣，再在1570°C 1600°C进行浇注形成工件。
9.根据权利要求3所述的超高强度铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤30包括 退火处理的过程是在890°C 910°C下保温200min，当炉内温度降到500°C时拉出自然冷却；正火处理的过程是在900°C 920°C下保温一段时间tl后在空气中冷却；调质处理过程是在890°C 910°C下保温一段时间tl后水淬；所述保温的时间tl=akD，其中，α为保温时间系数，在箱式炉或井式炉中加热时取1·.2min/mm 1. 5min/mm ；k为工件装炉系数，取1. 8 2. 0，D为工件的有效厚度；然后再在530°C 550°C下保温一段时间t2后水淬，所述保温时间t2= &i+AnKnD，其中，Bn为附加时间，取IOmin 20min ；An为加热系数，在井式炉中加热时取1.0 min/mm 1. 5 min/mm,在箱式炉中加热时取2. Omin/mm 2. 5min/mm ；Kn装炉修正系数，取1. O 1. 5。
10.一种如权利要求1或2所述的超高强度铸钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺包含在热处理炉中进行焊前预热以及采用气体保护焊和高强低氢焊丝进行焊接焊缝，其中，焊接时层间温度控制在150°C 200 V，焊接电流230A ^OA,焊接电压26V ^V，焊接速度；350 mm/min 450mm/min，手工线能量 15 KJ/cm 18KJ/cm。
11.根据权利要求10所述的超高强度铸钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊接焊缝的步骤后面还包括在热处理炉中进行焊后处理的步骤。
12.根据权利要求11所述的超高强度铸钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊前预热是在热处理炉中于170°C 190°C下，根据焊接件有效厚度的不同，保温一段时间t3 ；所述焊接焊缝的焊接工艺参数为采用82%Ar+18%0)2富氩气体保护焊，采用90公斤级的高强低氢焊丝焊接；焊接完全后，将焊接件放入热处理炉中进行焊后热处理，具体为在250°C 350°C之间进行焊后消氢处理，根据焊接件有效厚度的不同，保温一段时间t4，且焊接件出炉后的温度< 200°C。
13.根据权利要求12所述的超高强度铸钢的焊接工艺，其特征在于，当焊接件有效厚度彡20mm时，保温时间t3为0. 5小时，保温时间t4为2小时；当20mm <焊接件有效厚度彡60mm时，保温时间t3为1小时，保温时间t4为3小时；当60mm <焊接件有效厚度彡IOOmm时，保温时间t3为2小时，保温时间t4为4小时。
全文摘要
本发明涉及一种超高强度铸钢及其制备方法和焊接工艺。所述超高强度铸钢的化学成分重量百分比为C0.15%～0.21%，Si0.17%～0.37%，Mn0.5%～0.8%，Cr0.7%～1.0%，Mo0.45%～0.55%，Ti0.02%～0.04%，Re残留0.01%～0.02%，Al残留0.03～0.05%，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe。本发明的超高强度铸钢降低了C、Cr和Mo的含量，保持Si和Mn的含量不变，并添加了元素Ti和Re，而且比常规的工业化热处理工艺多了一步正火处理，综合机械性能有了显著提高，而且焊接性能优良，综合成本不高，完全能够满足大采高液压支架用铸钢材料的使用要求。
文档编号B22D1/00GK102352465SQ20111022139
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者孙玉福, 张俊峰, 李建伟, 王晓峰, 贾祥才, 郭海周 申请人:郑州四维机电设备制造有限公司