CN105861920B - 一种高尺寸稳定性铸铁及其制备方法 - Google Patents

一种高尺寸稳定性铸铁及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种铸铁以及使用该材质铸造铸件的生产工艺方法，所述铸铁的组成和质量百分比含量为：C 3.10～3.25％，Si 1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe；碳当量为3.80～3.95％CE，硅碳比Si/C＝0.58～0.65。高碳当量是本发明的关键点之一，是降低铸造应力的重要措施。该铸铁同时具有高尺寸稳定性、高强度、高弹性模量、低应力的特点，且生产工艺简单，铸件质量稳定，能满足各类装备部件的制造。

Description

一种高尺寸稳定性铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及铸铁材料相关技术领域，特别提供了一种高尺寸稳定性、高强度、高弹性模量、低应力的铸铁以及使用该材质的铸件的铸造生产方法。
背景技术
现代装备对部件性能的要求越来越高，不但要求其具有良好的力学性能，同时还要求其具有一定的特殊性能，如一些重大装备的机身等重要部件要求具有良好的力学性能、导热性、减震性等，同时要求必须具有高尺寸稳定性，以保持部件的尺寸精度和精度保持性，从而实现整套装备的高精度和精度保持性。
灰铸铁具有良好的力学性能、导热性、减震性和切削性能，铸造工艺性能良好，可以铸造生产复杂铸件，且生产周期短，制造成本低，已作为重要的结构材料得到广泛应用。一般情况下，灰铸铁的强度和其铸造应力成正比，抗拉强度越高，铸造应力越大，变形就越大，尺寸稳定性就越差。
以大型机床为例，目前，大型数控机床都在向着高精度、高速切削和强力切削方向发展，机床用铸件的质量对整机的寿命、精度和精度保持性都有重要影响。提高机床铸件的质量，尤其是尺寸稳定性，以保证机床整体的精度和精度保持性，解决严重制约我国高档机床发展的瓶颈，有重要意义。
就机床铸件而言，在四个方面提出了要求：一是低的铸造应力，保持机床铸件良好的尺寸精度稳定性；二是机床导轨的良好耐磨性，不因耐磨性差而失去精度；三是良好的减振性，不因减振性差而影响加工精度；四是铸件具有足够的材质刚性与结构刚性，不因加工对抗变形而影响精度。作为机床铸件主要材质的灰铸铁，其弹性模量是影响铸件刚性及尺寸稳定性的重要因素,残余应力是影响铸件尺寸稳定性的重要因素。因此，对机床铸件尤为重要。目前机床铸件大部分仍为灰铸铁，提高强度的重要途径是降低C、Si含量和碳当量(CE)。例如，2009年全国机床铸件生产调查表明，HT300的碳当量(CE)平均值为3.60％，最低值为3.50％。2014年全国机床铸件生产调查表明，HT300的碳当量(CE)平均值为3.68％，最低值为3.57％。这种方法，在提高强度的同时，也增大了铸件的铸造应力(通常在60～80MPa以上)，导致铸件变形加大，尺寸稳定性差。
只是简单的提高灰铸铁的碳当量，将使材料的力学性能大幅度降低。例如，研究发现，将灰铸铁的碳当量(CE)提高到3.83～3.90％而不采取其它措施，灰铸铁的抗拉强度降低到270MPa左右，无法满足HT300的性能要求。
如何通过化学成分设计和生产工艺创新，生产出具有高尺寸稳定性、高强度、高弹性模量、低应力的铸铁材料，用于制造具有高尺寸稳定性要求的部件(如机床床身)，就成为亟待解决的问题。
人们期望获得一种技术效果好的高尺寸稳定性铸铁以及使用该材质的铸件的铸造生产工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸铁以及使用该材质铸造铸件的生产工艺方法，该铸铁同时具有高尺寸稳定性、高强度、高弹性模量、低应力的特点，且生产工艺简单，铸件质量稳定，能满足各类装备部件的制造。
本发明具体提供了一种高尺寸稳定性铸铁，其特征在于，所述铸铁的组成和质量百分比含量为：C 3.10～3.25％，Si 1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe。
其中，所述铸铁的碳当量为3.80～3.95％CE，硅碳比Si/C＝0.58～0.65(质量比)。高碳当量是本发明的关键点之一，是降低铸造应力的重要措施。
本发明还提供了所述高尺寸稳定性铸铁的热处理工艺，其特征在于，所述铸铁采用阶梯冷却去应力退火热处理工艺，具体工艺参数为：590±15℃保温4-6h，然后分别在500±15℃、410±15℃、320±15℃、230±15℃、140±15℃、80±15℃下保温1h，最后炉冷至室温。其中，所述铸铁的升温和降温速度均优选为25～30℃/h。阶梯冷却去应力退火热处理工艺过程是本发明的关键点之一，热处理的目的是消除铸造应力。
本发明还提供了所述高尺寸稳定性铸铁铸造铸件的工艺方法，其特征在于，具体步骤为：
①炉料配比
炉料重量百分比：废钢60-80％，生铁5-10％，回炉料5～30％、其它合金、增碳剂为余量；
②铁液熔化及孕育处理
铁液熔炼：将原料放入熔炼电炉内，完成铁液熔化及化学成分调配；出炉时铁液化学成分质量百分比含量符合以下要求：C 3.10～3.25％，Si1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe；碳当量(CE)：3.80～3.95％、硅碳比(Si/C)：0.58～0.65；
铁液过热温度：1500℃～1550℃；
③孕育处理
铁液进行多次孕育处理，所述高尺寸稳定性铸铁需进行孕育处理，以得到石墨长度4-5级的A型石墨组织和珠光体≥95％的基体组织。
所使用的孕育剂优选为硅铁或(高钙)钡硅铁等；孕育处理方法采用“包内冲入法孕育+出铁槽孕育+随流孕育”；
④造型和浇注
采用树脂砂造型、树脂砂制芯：将符合技术要求的铁液浇入铸型，待铸件冷却到温度低于180℃后打箱；按要求进行清理，修整。
⑤所得铸件的化学成分和各成分的质量百分比含量：
C 3.10～3.25％，Si 1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe；碳当量CE：3.80～3.95％、硅碳比(Si/C)：0.58～0.65；
⑥阶梯冷却去应力退火热处理
590±15℃保温4-6h，然后分别在500±15℃、410±15℃、320±15℃、230±15℃、140±15℃、80±15℃下保温1h，最后炉冷至室温。
采用高碳当量、大比例废钢和合金化措施后，铸件力学性能可以满足HT300的要求，铸件中残余应力也有所降低，但仍高达40～50MPa以上，必须经过阶梯冷却去应力退火处理后，铸件中的残余应力才有显著降低。
本发明所述高尺寸稳定性铸铁铸造铸件的工艺方法，其特征在于：步骤③中，孕育剂的加入量为步骤②中调配后铁液重量的0.6～0.7％。
本发明所述高尺寸稳定性铸铁铸造铸件的工艺方法，其特征在于：在步骤⑥阶梯冷却去应力退火热处理中，首先按25～30℃/h的升温速度升温到590±15℃实施保温，保温时间为4～6小时，保温结束后，按25～30℃/h降温速度降温冷却，在冷却过程中，每降温90℃进行一次保温，每次保温时间为1小时，直至冷却到80±15℃后，开始随炉冷却至室温，铸件出炉。
相对于现有技术而言，本发明具有如下优点：
①、采用本发明技术生产的高尺寸稳定性铸铁，化学成分特点是高碳当量(CE)、高硅碳比(Si/C)，可有效降低铸件的铸造残余应力，其力学性能为，抗拉强度≥300Mpa，弹性模量≥120Gpa，硬度：190-220HB；金相组织：珠光体≥95％，A型石墨、石墨长度4-5级。
②、采用本发明技术生产的高尺寸稳定性铸铁，在具有高强度、高弹性模量的同时，具有低的残余应力，铸件铸造残余应力≤25MPa。
③、采用本发明所述高尺寸稳定性铸铁生产的机床导轨，其导轨面硬度均匀性好，硬度差小，有利于尺寸稳定性和机床加工精度的保持性。
④、该高尺寸稳定性铸铁铸造工艺性能良好，机械加工性能良好，生产工艺简单，铸件质量稳定。
附图说明
图1阶梯冷却去应力退火热处理工艺。
具体实施方式
实施例1
高尺寸稳定性铸铁铸件铸造生产方法：
铁液熔化采用中频感应电炉、中性炉衬。废钢加入量为70％(重量百分比，下同)、生铁加入量为5％，回炉料加入量为21％，其它合金和增碳剂为余量，铁液化学成分符合本技术要求后出炉，铁液过热温度：1504℃。采用“包内冲入法孕育+出铁槽孕育+随流孕育”进行孕育处理，孕育剂采用FeSi75，加入量为调配后铁液重量的0.6％，经孕育处理的铁液浇入树脂砂铸型，铸件经冷却到180℃后打箱、清理后进行热处理。
铸件的主要化学成分(质量分数，％)为：C 3.21％、Si 2.09％、Mn 1.12％、P0.032％、S 0.031％、Cr 0.33％、Cu 0.54％，Fe余量，3.92％CE。
铸件热处理工艺为：铸件按25～30℃/h升温速度升温到590±15℃实施保温，保温时间为4小时。保温结束后，按25～30℃/h降温速度降温冷却，在冷却过程中，每降温90℃进行一次(阶梯)保温，保温时间为1小时，直至冷却到80±15℃后，开始随炉冷却至室温，铸件出炉。
铸件检测结果为：抗拉强度：339(MPa)，弹性模量：129(GMPa)，硬度216HBW，残余应力：17.3(MPa)。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处主要是：废钢加入量为75％、生铁加入量为8％，回炉料加入量为13％，其它合金和增碳剂为余量，孕育剂为高钙钡孕育剂，孕育剂加入量为调配后铁液重量的0.68％；铁液过热温度：1540℃；铸件在590±15℃热处理保温时间为6小时。
铸件的主要化学成分(质量分数，％)为：3.17％C、1.89％Si、0.95％Mn、0.042％P、0.036％S、0.28％Cr、0.69％Cu，3.81％CE。
铸件检测结果为：抗拉强度：343(MPa)、弹性模量：135(GMPa)，硬度218HBW，铸件残余应力：23.4(MPa)。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，其不同之处主要是：废钢加入量为65％、生铁加入量为7％，回炉料加入量为24％，其它合金和增碳剂为余量，孕育剂为高钙钡孕育剂，孕育剂加入量为调配后铁液重量的0.7％；铁液过热温度：1520℃；铸件在590±15℃热处理保温时间为6小时。
铸件的主要化学成分(质量分数，％)为：3.19％C、1.96％Si、1.10％Mn、0.058％P、0.031％S、0.34％Cr、0.56％Cu，3.86％CE。
产品为机床床身，床身铸件检测结果为：抗拉强度：338(MPa)、弹性模量：131(GMPa)，铸件残余应力：16.2(MPa)。表1为采用本发明技术生产的高尺寸稳定性铸铁床身的导轨面硬度，表2为采用本发明技术生产的高尺寸稳定性铸铁床身的残余应力。
表1高尺寸稳定性铸铁床身的导轨面硬度(HBW)
表2两高尺寸稳定性铸铁床身的残余应力
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高尺寸稳定性铸铁，其特征在于，所述铸铁的组成和质量百分比含量为：C 3.10～3.25％，Si 1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe；碳当量CE为3.80～3.95％，硅碳的质量比Si/C＝0.58～0.65；
所述铸铁采用阶梯冷却去应力退火热处理，具体工艺参数为：590±15℃保温4-6h，然后分别在500±15℃、410±15℃、320±15℃、230±15℃、140±15℃、80±15℃下保温1h，最后炉冷至室温。
2.按照权利要求1所述高尺寸稳定性铸铁，其特征在于：所述铸铁的升温和降温速度均为25～30℃/h。
3.一种采用权利要求1所述高尺寸稳定性铸铁铸造铸件的工艺方法，其特征在于，具体步骤为：
①、炉料配比
炉料重量百分比：废钢60-80％，生铁5-10％，回炉料5-30％、其它合金、增碳剂为余量；
②、铁液熔化
铁液熔炼：将原料放入熔炼电炉内，完成铁液熔化及化学成分调配；出炉时铁液化学成分质量百分比含量符合以下要求：C 3.10～3.25％，Si 1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe；碳当量CE：3.80～3.95％、硅碳比Si/C：0.58～0.65；
铁液过热温度：1500℃～1550℃；
③、孕育处理
铁液进行孕育处理；孕育处理方法采用“包内冲入法孕育+出铁槽孕育+随流孕育”；
④、造型和浇注
采用树脂砂造型、树脂砂制芯：将符合技术要求的铁液浇入铸型，待铸件冷却到温度低于180℃后打箱；
⑤、所得铸件的化学成分和各成分的质量百分比含量：
C 3.10～3.25％，Si 1.8～2.1％，Mn 0.94％～1.15％，P≤0.07％，S 0.03～0.07％，Cr 0.25～0.34％，Cu 0.5～0.7％，余量为Fe；碳当量CE：3.80～3.95％、硅碳比Si/C：0.58～0.65；
⑥、阶梯冷却去应力退火处理
590±15℃保温4-6h，然后分别在500±15℃、410±15℃、320±15℃、230±15℃、140±15℃、80±15℃下保温1h，最后炉冷至室温。
4.按照权利要求3所述高尺寸稳定性铸铁铸造铸件的工艺方法，其特征在于：步骤③中，孕育剂的加入量为步骤②中调配后铁液重量的0.6～0.7％。
5.按照权利要求3所述高尺寸稳定性铸铁铸造铸件的工艺方法，其特征在于：在步骤⑥阶梯冷却去应力退火热处理中，首先按25～30℃/h的升温速度升温到590±15℃实施保温，保温时间为4～6小时，保温结束后，按25～30℃/h降温速度降温冷却，在冷却过程中，每降温90℃进行一次保温，每次保温时间为1小时，直至冷却到80±15℃后，开始随炉冷却至室温，铸件出炉。
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