一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法

《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》是山東省滙豐機械集團總公司章丘市鑄造廠於2009年12月30日申請的發明專利，該專利申請號為2009102444275，公布號為CN101748325A，專利公布日為2010年6月23日，發明人是劉憲民、焦守民、郭宏濤、符寒光。該發明屬於鑄造技術領域。

《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》其捲筒化學組成成分（質量分數，％）是：3.5～3.7碳，2.1～2.4矽，4.3≤CE（碳+1/3矽）≤4.4，0.03～0.06鎂，0.02～0.04釔，0.006～0.012錫，0.012～0.018銻，0.2～0.5銅，0.035～0.060氮，0.040～0.065釩，0.040～0.065鈮，0.095≤釩+鈮≤0.120，0.005～0.010鈣，0.005～0.010鋇，0.012≤鈣+鋇≤0.018，錳＜0.3，鈦＜0.015，鋁＜0.012，＜0.04，硫＜0.012，餘量鐵。該發明捲筒採用電爐熔煉，用普通鑄造方法澆注成形，在200～260℃進行去應力退火處理，然後機械加工至規定尺寸和精度，生產工藝簡便，捲筒強韌性好，使用安全可靠且壽命長，推廣使用具有很好的經濟效益。

2017年12月，《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》獲得第十九屆中國專利獎。

基本介紹

• 中文名：一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法
• 公布號：CN101748325A
• 公布日： 2010年6月23日
• 申請日： 2009年12月30日
• 申請號：2009102444275
• 類別：發明專利
• 申請人：山東省滙豐機械集團總公司章丘 市鑄造廠
• 發明人：劉憲民、焦守民、郭宏濤、符寒光
• 地址：山東省章丘市刁鎮中心大街136號
• 代理機構：北京思海天達智慧財產權代理有限公司
• 代理人：劉萍
• 分類號：C22C37/10(2006.01)I、C22C33/06(2006.01)I、B22D1/00(2006.01)I、B22D25/02(2006.01)I、C21D1/30(2006.01)I

專利背景

起重機使用鋼絲繩起升物料的捲筒，是起重機的重要部件之一，每台起重機有捲筒1～2個或3～4個，捲筒在起重機行業生產中占有重要地位。捲筒工藝的先進與否及質量高低，對起重機生產的經濟效果、生產管理和文明生產等都有很大的影響。由於裝配後鋼絲繩纏繞在捲筒筒體上，捲筒直接承受載荷，因此捲筒本身強度、韌性和耐磨性對起重機的安全運行有著至關重要的影響。隨著現代工程的大型化，起重機械也向大型化發展，其起重重量及揚程大大增加，揚程達到幾十米甚至上百米，重量達到幾百噸，由此對捲筒的材質及其製造方法提出了更高的要求。為了保證捲筒的安全使用，國外多用鋼板通過卷板後焊接而成，或採用鑄鋼捲筒。但是，直接採用鋼板通過卷板後焊接而成的捲筒，儘管強度高，但焊縫易開裂，使用安全性差，而且大型捲筒的鋼板厚度大，需要龐大和貴重的卷板設備。另外鋼板焊接捲筒和鑄鋼捲筒還存在硬度低和耐磨性差等不足。

為了提高捲筒性能，中國發明專利CN101559906公開了一種新型捲筒。《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》針對公知起重設備中的捲筒，用於纏繞鋼絲吊繩的螺紋槽，是均勻等螺距的螺旋型凹槽，其纏繞過程需使用導向結構，且磨損擠壓現象較為嚴重，有時還出現亂繩現象，嚴重影響了起重設備使用效果和壽命。該發明將鋼筒表面的每圈凹槽設計成規則有序的兩段間隔分布的直槽和斜槽，從而克服了上述缺陷，具有排布有序、載重量大、穩定性好等優點，但是，由於鋼捲筒硬度低，耐磨性差的難題沒有徹底解決。中國發明專利CN101537985也公開了一種大噸位（150噸以上）履帶起重機臂架變幅裝置使用的整體雙聯雙摺線變幅捲筒，該變幅捲筒為整體鑄造的雙聯捲筒。所述的雙聯捲筒是指其繩槽旋向、出繩口按中間擋板左、右對稱布置的整體鑄造捲筒，且出繩口位於中間擋板二側。該變幅捲筒的繩槽旋向左、右相反，全部為雙摺線設計，且繩槽具有兩側起繩部位緊密、中間排繩松，擋板處有排繩凸台的特點，使纏繞在上的鋼繩具有均勻的承載能力，大大減小了鋼繩間的磨損和擋板所受的軸向力，即使鋼繩進行多層纏繞也不會發生相互干涉、擠壓和亂繩現象，達到了減小捲筒體積，延長鋼繩使用壽命，降低使用成本，提高工作效率的目的。該發明捲筒存在結構複雜、加工效率低和生產成本高等不足。

中國發明專利CN1076667還公開了一種帶鋼卷取機捲筒，屬於金屬帶的卷繞裝置。它主要由扇形塊（1）、四稜錐軸（2）、大鉗口（3）、小鉗口（4）、圓弧過渡曲線（5）、圓弧槽（6）等組成。該卷取機捲筒，消除鋼卷塌卷顯著，產品合格率大有提高，並且不用增設輔助設備，極易實施。該捲筒加工複雜、生產成本高，無法用於起重機上。中國發明專利CN1364411則公開了一種旋轉卷線器的捲筒，可維持前凸緣部的耐磨耗性及耐久性，並儘可能地使捲筒輕量化。旋轉卷線器的捲筒4是安裝在可相對於旋轉卷線器的卷線器本體2前後移動的捲筒軸15前端上的卷線用捲筒，具備：卷線胴體部4a、前凸緣部4c、及凸緣固定構件47。卷線胴體部4a為安裝於捲筒軸15前端上的構件。前凸緣部4c具有：在卷線胴體部4a的前端部外周側設定成鍔狀的第1凸緣部45、及可自由裝卸地安裝於第1凸緣部45上且由硬質材料制的環狀的第2凸緣部46。凸緣固定構件47是用來將第2凸緣部46固定在第1凸緣部45上的構件。該捲筒加工複雜、生產成本高，也無法用於起重機上。

中國發明專利CN101513978還公開了一種起重機用儲能捲筒，它包括捲筒筒體、發條套和發條，所述筒體的兩個連線埠分別固定連線有第一法蘭盤、第二法蘭盤；所述發條套設定在筒體內腔中、並分別與第一法蘭盤和第二法蘭盤固定連線；所述發條設定在發條套中、並卷繞在固定軸上，其向內卷的末端與固定軸固定連線、其向外卷的末端與發條套固定連線。該發明通過在捲筒筒體的內部設定發條，當捲筒旋轉時，被固定的定軸始終不能旋轉，而且始終卡住發條向內卷的末端，使其不能移動，這樣就使發條能隨捲筒正方向或負方向旋轉，從而完成儲藏能量或釋放能量的過程，能夠有效地增大起重機的提升能力。但是該發明亦未能解決普通捲筒材料強韌性低和耐磨性差的不足。中國發明專利CN1793397還公開了一種起重機捲筒用鑄鐵，含有矽、錳、碳，矽含量為2.0-2.6％，錳含量為0.2-0.35％，碳含量為3.0-4.0％。雜質磷和硫的含量分別小於0.25％、0.1％。在此基礎上，中國發明專利CN1792502繼續公開了一種起重機捲筒的離心鑄造工藝，其技術方案要點是，起重機捲筒的離心鑄造工藝包括有化鐵水、離心澆鑄工序，鐵水中的矽的含量為2.0-2.6％，錳含量為0.2-0.35％，碳含量為3.0-4.0％，鑄型內壁上有石英砂或棕剛玉層。鑄型內壁上的石英砂或棕剛玉層的厚度為1-2毫米。鑄型內表面的旋轉線速度為750-1250米/分鐘。送入鑄型的鐵水溫度為1200-1280℃。鐵水在鑄型中的旋轉時間為7-8分鐘。但是，採用普通鑄鐵製造捲筒，存在硬度和強度低，以及韌性和耐磨性差等不足，捲筒使用壽命短、安全性較差。中國發明專利CN1772417還公開了一種高性能球鐵捲筒製造方法，原鐵水成分如下：3.8～3.95％碳，1.0～1.3％矽，0.2～0.4％錳，＜0.06％，0.05～0.08％硫。經球化和孕育處理後，鐵水的最終化學成分如下：3.5～3.9％碳，2.3～2.7％矽，＜0.4％錳，＜0.06％，＜0.025％硫，0.03～0.05％錸，0.03～0.05％鎂。該發明通過鑄態球鐵的研究、鑄型材料、塗料及鑄造工藝研究，簡化了捲筒的製造工藝，提高了材料的利用率、節能降耗，在顯著提高捲筒力學性能及使用性能、滿足捲筒繩槽幾何尺寸的前體下，顯著降低生產成本。但是，該發明球鐵捲筒韌性偏低，使用中易出現剝落甚至斷裂現象，影響起重機的安全使用。

發明內容

專利目的

《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》的目的是針對2009年12月之前的起重機捲筒存在的各種不足，在球鐵中加入少量合金元素，達到細化其凝固組織，改善石墨形態和分布，提高其強度和韌性，延長捲筒使用壽命的目的。

技術方案

《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》的目的可以通過以下措施來實現：該發明捲筒的化學組成成分（質量分數，％）是：3.5～3.7碳，2.1～2.4矽，4.3≤CE（碳+1/3矽）≤4.4，0.03～0.06鎂，0.02～0.04釔，0.006～0.012錫，0.012～0.018銻，0.2～0.5銅，0.035～0.060氮，0.040～0.065釩，0.040～0.065鈮，0.095≤釩+鈮≤0.120，0.005～0.010鈣，0.005～0.010鋇，0.012≤鈣+鋇≤0.018，錳＜0.3，鈦＜0.015，鋁＜0.012，＜0.04，硫＜0.012，餘量鐵。

該發明捲筒採用電爐熔煉，具體工藝步驟如下：

1）先用廢鋼、銅板、矽鐵和生鐵或增碳劑之一混合加熱熔化成鐵水，爐前調整成分合格後，當鐵水溫度達到1450～1500℃時，扒渣，然後依次加入銻、錫、釩氮合金和鈮鐵，保溫1～3分鐘後出爐；

2）將重稀土鎂合金置於澆包底部，採用堤壩式沖入法球化工藝對鑄鐵進行球化處理；

3）球化完成後，處理包轉澆注包時加入75矽鐵進行第一次孕育處理，75矽鐵加入量為步驟1）中鐵水總質量的0.5％～0.8％；

4）當鐵水溫度達到1300～1350℃時澆注捲筒，澆注過程中隨流加入為步驟1）中鐵水總質量0.3％～0.5％的矽鈣鋇合金，進行二次孕育處理；

5）捲筒澆注10～24小時後，開箱清理澆冒口，然後在200～260℃進行去應力退火處理，保溫時間10～30小時，最後將捲筒加工至規定尺寸和精度。

球鐵材料的性能是由金相組織決定的，而球鐵的組織取決於化學成分，該發明捲筒的化學成分是這樣確定的：

碳和矽：碳和矽均為促進石墨化元素，石墨呈球狀後，石墨數量對捲筒力學性能的影響已降低到最小程度，為獲得較好的鑄造性能，碳當量一般取在共晶點附近，按高碳低矽原則，根據捲筒的性能要求和結構特點，控制碳含量為3.5％～3.7％，矽含量2.1％～2.4％，且碳當量CE（碳+1/3矽）控制在4.3～4.4。

錳：錳雖然能細化珠光體組織並增加珠光體含量，有利於提高捲筒強度，但錳量過高易造成晶界偏折，降低捲筒強度和韌性，所以不利用錳來保證珠光體組織，而將其含量控制在0.3％以下。

銅、銻和錫：銅能穩定奧氏體組織，利於石墨圓整，阻礙共析滲碳體的分解，同時促進並細化珠光體組織。加入適量的銻不僅能提高基體的珠光體量、增加強度，而且可以提高石墨的園整度，而且微量銻的加入對延伸率降低的影響不大。錫具有較強的促進珠光體形成的能力，且促進珠光體的細化，銅、銻和錫的複合加入可有效地提高球鐵捲筒抗拉強度，但加入過多的銅將使延伸率明顯降低，因此控制捲筒中銅含量為0.2％～0.5％，銻含量為0.012％～0.018％，錫含量為0.006％～0.012％。

鎂和釔：鐵液中有一定的鎂和稀土元素的殘留量才能保證石墨成球。在稀土鎂球鐵中，鎂通過強烈的脫氧、脫硫而起球化作用，而稀土起輔助球化作用，稀土還具有淨化鐵液，細化球鐵組織和抗球化干擾元素的作用，但是，鎂加入量過多，易出現滲碳體組織，使球鐵韌性急劇下降。另外，加稀土的副作用是帶來夾雜，為了充分發揮稀土的有益作用，克服其副作用，用釔基重稀土取代常用的鈰基輕稀土。釔基重稀土可獲得密度較小的脫氧、脫硫產物，以利於其上浮。鈰稀土的脫氧、脫硫產物以Ce₂O₂8計，其密度為6.00克/立方米，釔稀土的脫氧、脫硫產物以Y₂O₂S計，密度為4.25克/立方米，按Stokes公式（Ladenburg R.W，Physical Measurements in Gas Dynamicsandin Combustion，NewYork：Prince-ton University Press，1964，137～144.）計算夾雜物的上浮速度V為：

（1）

式中：V-夾雜物上浮速度，米/秒；r-夾雜物半徑，米；ρ_液-金屬液體的密度，牛/立方米；ρ_雜-夾雜物的密度，牛/立方米；η-液體的動力粘度，牛·秒/平方米。可見後者的上浮速度較前者增大1倍，這是使用釔稀土獲得潔淨組織對球鐵污染少的重要原因。因此，合適的鎂含量控制在0.03％～0.06％，合適的釔含量控制在0.02％～0.04％。

釩、氮和鈮：釩、鈮和氮易形成高熔點的VN和NbN，它們可以起凝固核心作用，促進球鐵顯微組織的細化，有利於提高球鐵的強度和韌性，另外，細小的VN和NbN均勻分布在珠光體基體上，有利於提高捲筒強度，延長捲筒使用壽命，但是，氮含量過高，捲筒鑄件中易出現氣孔，而釩和鈮加入量過高，則VN和NbN尺寸粗化，反而降低球鐵的強度和韌性，且釩、鈮加入量過多，將增加捲筒的生產成本，因此將氮含量控制在0.035％～0.060％，釩含量控制在0.040％～0.065％，鈮含量控制在0.040％～0.065％，且0.095％≤釩+鈮≤0.120％。

鈣和鋇：鈣和鋇是從隨流孕育劑中帶入而來的，加入鈣和鋇可以細化石墨球，並使石墨球更圓整，加入鈣和鋇孕育還可以防止孕育衰退，保證孕育效果，有利於提高球鐵的強度和韌性，合適的鈣含量宜控制在0.005％～0.010％，合適的鋇含量宜控制在0.005％～0.010％鈣，且0.012％≤鈣+鋇≤0.018％，

鈦和鋁：鈦和鋁是球化干擾元素，鈦和鋁主要來自於球化劑和孕育劑，鈦和鋁殘留量過多，不利於石墨球化，易使球鐵中出現開花狀石墨，降低球鐵的強度和韌性，因此對球鐵捲筒中的鈦和鋁含量需要嚴格控制，其中鈦含量控制在0.015％以下，鋁含量控制在0.012％以下。

磷：當磷小於0.04％時能固溶於α-鐵中，對捲筒的力學性能沒有明顯的不良影響，而球鐵捲筒中磷大於0.04％後易形成二元或三元磷共晶，偏析於晶界，產生縮松，惡化力學性能和鑄造性能，故應嚴格限制磷在0.04％以下。

硫：硫是反石墨化元素，硫含量過高，石墨不易成球，為了確保石墨的球化效果，將硫含量控制在0.012％以下。

改善效果

《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》所述捲筒與2009年12月之前的技術相比，具有以下優點：

1）該發明捲筒強度高，韌性好，其中抗拉強度大於700兆帕，延伸率大於8％，衝擊韌性大於28焦；

2）該發明捲筒不含鉬、鎳等昂貴合金元素，生產成本低廉；

3）該發明捲筒使用安全、可靠，使用中無斷裂現象出現，使用壽命比鋼捲筒提高20～30％，而生產成本比鋼捲筒降低25～35％，推廣使用該發明捲筒具有很好的經濟效益。

權利要求

1.《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》其特徵在於捲筒的化學組成成分質量百分數是：3.5～3.7碳，2.1～2.4矽，4.3≤（碳+1/3矽）≤4.4，0.03～0.06鎂，0.02～0.04釔，0.006～0.012錫，0.012～0.018銻，0.2～0.5銅，0.035～0.060氮，0.040～0.065釩，0.040～0.065鈮，0.095≤釩+鈮≤0.120，0.005～0.010鈣，0.005～0.010鋇，0.012≤鈣+鋇≤0.018，錳＜0.3，鈦＜0.015，鋁＜0.012，＜0.04，硫＜0.012，餘量鐵。

2.如權利要求1所說的高強度耐磨球鐵捲筒製造方法，其特徵在於用電爐生產，其工藝步驟是：

1）先用廢鋼、銅板、矽鐵、以及生鐵或增碳劑之一混合加熱熔化成鐵水，爐前調整成分合格後，當鐵水溫度達到1450～1500℃時，扒渣，然後依次加入銻、錫、釩氮合金和鈮鐵，保溫1～3分鐘後出爐；

2）將重稀土鎂合金置於澆包底部，採用堤壩式沖入法球化工藝對鑄鐵進行球化處理；

3）球化完成後，處理包轉澆注包時加入75矽鐵進行第一次孕育處理，75矽鐵加入量為步驟1）中鐵水總質量的0.5％～0.8％；

4）當鐵水溫度達到1300～1350℃時澆注捲筒，澆注過程中隨流加入為步驟1）中鐵水總質量0.3％～0.5％的矽鈣鋇合金，進行二次孕育處理；

5）捲筒澆注10～24小時後，開箱清理澆冒口，然後在200～260℃進行去應力退火處理，保溫時間10～30小時，最後將捲筒加工至規定尺寸和精度。

實施方式

• 實施例1

採用5噸電爐熔煉球鐵捲筒材料，用於生產直徑700毫米×3200毫米捲筒鑄件，具體工藝步驟如下：

1）先用廢鋼、銅板、生鐵和矽鐵混合加熱熔化，爐前調整成分合格後，當鐵水溫度達到1498℃時，扒渣，然後依次加入銻、錫、釩氮合金和鈮鐵，保溫1分鐘後出爐。

2）將重稀土鎂合金置於澆包底部，採用堤壩式沖入法球化工藝對鑄鐵進行球化處理。

3）球化完成後，處理包轉澆注包時加入75矽鐵進行第一次孕育處理，75矽鐵加入量為步驟1）中鐵水總質量的0.5％。

4）當鐵水溫度達到1346℃時澆注捲筒，澆注過程中隨流加入為步驟1）中鐵水總質量0.5％的矽鈣鋇合金，進行二次孕育處理。

5）捲筒澆注24小時後，開箱清理澆冒口，然後在260℃進行去應力退火處理，保溫時間15小時，最後將捲筒加工至規定尺寸和精度。捲筒成分見表1，捲筒性能見表2。

• 實施例2

採用5噸電爐熔煉球鐵捲筒材料，用於生產直徑945毫米×2750毫米捲筒鑄件，具體工藝步驟如下：

1）先用廢鋼、銅板、增碳劑和矽鐵混合加熱熔化，爐前調整成分合格後，當鐵水溫度達到1455℃時，扒渣，然後依次加入銻、錫、釩氮合金和鈮鐵，保溫3分鐘後出爐。

2）將重稀土鎂合金置於澆包底部，採用堤壩式沖入法球化工藝對鑄鐵進行球化處理。

3）球化完成後，處理包轉澆注包時加入75矽鐵進行第一次孕育處理，75矽鐵加入量為步驟1）中鐵水總質量的0.8％。

4）當鐵水溫度達到1306℃時澆注捲筒，澆注過程中隨流加入為步驟1）中鐵水總質量0.3％的矽鈣鋇合金，進行二次孕育處理。

5）捲筒澆注15小時後，開箱清理澆冒口，然後在220℃進行去應力退火處理，保溫時間24小時，最後將捲筒加工至規定尺寸和精度。捲筒成分見表1，捲筒性能見表2。

• 實施例3

採用10噸電爐熔煉球鐵捲筒材料，用於生產直徑1033毫米×3800毫米捲筒鑄件，具體工藝步驟如下：

1）先用廢鋼、銅板、生鐵和矽鐵混合加熱熔化，爐前調整成分合格後，當鐵水溫度達到1479℃時，扒渣，然後依次加入銻、錫、釩氮合金和鈮鐵，保溫2分鐘後出爐。

2）將重稀土鎂合金置於澆包底部，採用堤壩式沖入法球化工藝對鑄鐵進行球化處理。

3）球化完成後，處理包轉澆注包時加入75矽鐵進行第一次孕育處理，75矽鐵加入量為步驟1）中鐵水總質量的0.6％。

4）當鐵水溫度達到1332℃時澆注捲筒，澆注過程中隨流加入為步驟1）中鐵水總質量0.4％的矽鈣鋇合金，進行二次孕育處理。

5）捲筒澆注18小時後，開箱清理澆冒口，然後在250℃進行去應力退火處理，保溫時間24小時，最後將捲筒加工至規定尺寸和精度。捲筒成分見表1，捲筒性能見表2。

表1捲筒化學成分（質量分數，％）
元素	碳	矽	鎂	釔	錫	銻	銅	釩	鈮
實施例1	3.52	2.39	0.031	0.038	0.006	0.017	0.49	0.045	0.064
實施例2	3.69	2.12	0.057	0.022	0.011	0.013	0.25	0.065	0.041
實施例3	3.58	2.3	0.045	0.03	0.009	0.015	0.31	0.052	0.046
元素	氮	鈣	鋇	錳	鈦	鋁	磷	硫	鐵
實施例1	0.037	0.009	0.008	0.17	0.006	0.005	0.037	0.008	餘量
實施例2	0.059	0.007	0.006	0.23	0.009	0.005	0.039	0.011	餘量
實施例3	0.046	0.006	0.006	0.18	0.007	0.007	0.036	0.01	餘量

表2捲筒力學性能
力學性能	抗拉強度 /兆帕	延伸率 /%	衝擊韌性 /焦·厘米	硬度 /HB
實施例1	735	9.23	29.55	297
實施例2	720	8.51	28.6	283
實施例3	730	9.08	29.37	286

《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》捲筒已成功套用於起重機上，使用中發現，該發明捲筒因強度高、韌性好，使用安全可靠，使用中無剝落、開裂和斷裂現象出現。另外該發明捲筒因微量釩、氮和鈮元素的加入，可形成細小的高硬度氮化物，可明顯提高捲筒表面的耐磨性，該發明捲筒的使用壽命比鋼捲筒提高20～30％，而生產成本比鋼捲筒降低25～35％，推廣使用該發明捲筒具有很好的經濟和社會效益。

榮譽表彰

2017年12月，《一種高強度耐磨球鐵捲筒及其製造方法》獲得第十九屆中國專利獎。