CN108034883B

CN108034883B - 机床床身材料

Info

Publication number: CN108034883B
Application number: CN201711056467.8A
Authority: CN
Inventors: 肖建兵; 吴建华
Original assignee: CHENZHOU XIONGJIAN MACHINE TOOL CASTING Co Ltd
Current assignee: Chenzhou Xiongjian Machine Tool Casting Co ltd
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: CN108034883A

Abstract

本发明公开了一种机床床身材料，为合金化铸铁材料，所含化学成份及重量份为C:2.9‑3.1%、Si:1.6‑1.9%、Mn:0.8‑1.1%、P:0.07‑0.1%、S:0.06‑0.09%、B:0.03‑0.04%、Ca:0.008‑0.019%、Sr:0.005‑0.01%，余量为Fe。所述材料由如下重量份的原料熔铸而成：原生铁20‑30%、回炉料25‑35%、废钢35‑55%、增碳剂为金属炉料总重的1‑1.5%、锰铁合金0.1‑0.3%、硅铁合金0.5‑0.85%、硼铁合金0.2%、特殊强效孕育剂0.3%。

Description

机床床身材料

技术领域

本发明涉及一种合金材料，尤其涉及一种用于机床床身生产的机床床身材料。

背景技术

机床床身，是给机械加工元件提供支撑、传动和保证加工精度的基础。需有具有足够的刚度、良好的抗磨损性、较高的硬度、自润滑性和吸震性能。因此，机床床身本身的材料性质对机床的使用性能和寿命影响很大。在当前的市场环境下，产品除质量性能竞争外，价格竞争也十分突出，客户对产品的要求是质量好，价格低。只有质量好，价格低的产品在市场竞争里才处于优势，否则将没有市场。

目前现有的机床床身材料在生产中除了碳、硅、锰、磷、硫常规五大元素为基础外，还添加了铜、钼、镍、铬金属元素，是合金化得到的铸铁材料，即铬系合金化耐磨铸铁，如牌号为GM246的铸铁。这种材料在市场上占60%以上。但是，这种材料存在严重的缺点：1.为了提高淬透性，使淬火后得到高硬度组织，达到技术要求上所需的表面硬度，需要加入大量铜、镍、钼贵重金属，导致生产成本增高；2.由于添加了大量的合金元素，铁水的缩性也会增大，产品容易产生缩孔，缩松内在铸造缺陷，导致产品的刚性将受到影响，将大大降低使用性能，严重会使产品报废；3.由于合金的加入量较大，很容易造成成份偏析，造成硬度不均匀，工作面磨损不一致，长期使用，会导致机床的加工精度变差，缩短机床的使用寿命；4.由于该材料在铸态转变中有铁素体析出，只有少量的碳化物，提高耐磨性主要依靠后期表面淬火处理，碳化物在热处理过程中由珠光体析出，由于淬火时间短，铁素体来不及奥氏体化，无法通过激冷转化成碳化物，热处理过程中因受热不均匀的影响，就会造成热处理面硬度不均匀，甚至有时热处理后达不到要求，需要重新热处理。

研发出一种成本低、能提高机床使用性能和寿命的新型机床床身材料迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、能提高机床使用性能和寿命的新型机床床身材料。

为了解决上述技术问题，本发明的机床床身材料为合金化铸铁材料，所含化学成份及重量份为C:2.9-3.1%、Si:1.6-1.9%、Mn:0.8-1.1%、P:0.07-0.1%、S:0.06-0.09%、B:0.03-0.04%、Ca:0.008-0.019%、Sr:0.005-0.01%，余量为Fe。

所述材料由如下重量份的原料熔铸而成：原生铁20-30%、回炉料25-35%、废钢35-55%、增碳剂为金属炉料总重的1-1.5%、锰铁合金0.1-0.3%、硅铁合金0.5-0.85%、硼铁合金0.2%、特殊强效孕育剂0.3%；所述特殊强效孕育剂化学成份为Si:45-60%、Ba:2-4%、Ca:1-2%、Sr:0.8-1.5%，余量为Fe。

作为优选，所述材料由如下重量份的原料熔铸而成：原生铁20%、回炉料25%、废钢55%、增碳剂为炉料总重的1.5%、锰铁合金0.2%、硅铁合金0.85%、硼铁合金0.2%、特殊强效孕育剂0.3%；所述特殊强效孕育剂化学成份为Si:55%、Ba:2%、Ca: 2%、Sr:1.5%，余量为Fe。

所述材料铸态硬度200-250HB、抗拉强度＞300MPa、表面淬火后的表面硬度52-58HRC、快速磨损径向磨损值0.065-0.07mm。

本发明的机床床身材料为含硼铸铁，可以采用常规熔铸方法熔铸。

在本申请技术方案研发过程中，申请人发现，在普通铸铁中加入很少的硼就能得到刚性好、耐磨性能好的铸铁材料，生产成本仅为铬系耐磨铸铁的3-5%，具有很好的市场发展前景；但是，其最大的缺陷就是白口倾向很大，属于强碳化物和稳定珠光体元素，稍有不慎，就能导致产品全白口，即碳化物80%以上，并且碳化物极为稳定，通过高温热处理挽救极其困难，基本上只有报废处理。这也是国内铸造材料工程师很少涉足的原因。过长期技术攻关，申请人精准控制配方及化学成份，采用特殊强效孕育剂进行材料的强化作用，使硼元素在铸态中就呈高硬度弥散状碳化物分布，并且铸态材料具有加工性能好、刚性好。本发明的材料金相组织为珠光体大于95%、弥散状碳化物约5%左右、石墨形态在铸铁中无方向性细片状分布。本发明的材料铸态硬度200-250HB、抗拉强度＞300MPa、表面淬火后的表面硬度52-58HRC、快速磨损径向磨损值0.065-0.07mm，高于铬系耐磨铸铁。由于形成碳化物元素加入量少，不存在成份偏析，在铸态中以弥散状碳化物存在，所以，在热处理中不需要硼的碳化物转变，只需产生硬度相针状铁碳化合物及珠光体向马氏体转变即可达到使用技术条件，热处理要求相对铬系耐磨铸铁要低，且热处理面硬度均匀，一致性好。

为了实现发明目的，申请人采用了特别的技术手段：

1、将新材料的铸造硬度略微提高并适当缩小硬度控制至200-235HBS，其目的是为了除具有耐磨性能外，在热处理前具有良好的加工性能，同时使床身的综合性能更加稳定。

2、严格控制石墨形态，提高床身的耐磨性和自润滑性能。要求石墨形态以细片状无方向性分布（A型石墨）为主，其余异型石墨<15%.使脱落的石墨在床身与具有滑动副的零配件之间起到润滑剂的作用，脱落石墨留下的孔洞也可起到储油作用，这样保证和提高床身与零配件之间的耐磨性能的稳定性，同时床身材料也具有高的韧性和机床尺寸的稳定性。如果D、E型或其它异型石墨数量较多时，不仅没起到提高耐磨性能，反而因其呈方向性分布，降低了共晶团之间的结合力，导致材料的强度降低和机床的不稳定性，最终将影响机床加工零件时的加工精度。

3、将五大基本元素中的锰含量范围控制为0.80-1.1%。锰元素形成并稳定珠光体组织，申请人发现，如果含量超过1.1%时，促进碳化物产生，会形成网状碳化物，其脆性增加，还将恶化加工性能；如果含量低于0.8%时，形成并稳定珠光体作用有限，基体中将产生铁素体，导致硬度大幅下降。

4、加入硼（B）元素，固溶硬化基体，提高耐磨性能。加入硼后，硼元素具有强烈的产生碳化物作用，与碳产生的化合物具有很高的硬度，对于材料的耐磨性能极为有利。硼元素控制含量在0.03-0.04%之间，由于硼含量较低，产生的碳化硼均匀的以微小颗粒状分布在材料的基体组织中，这样即起到固溶硬化基体的作用，也不影响加工性能。如果含量高于该范围时，将使碳化硼大量存在于材料基体组织中，恶化加工性能；如果含量低于要求范围时，又起不到固溶硬化基体的作用。

5、在研究新型床身材料中，发现硫、磷元素的含量也至关重要。硫低于0.05%，孕育效果差；高于0.1%时，产品热裂倾向增大，最佳应控制在0.06-0.09%范围内。磷与硼搭配，可更好的发挥硼的作用，但含量过高时，产品的冷裂倾增大，因此磷应控制0.07-0.1%范围内。

6、为了利于A型石墨的获得，碳与硅含量也很重要，碳、硅含量过高，铁素体增加，石墨粗大，强度降低；碳、硅含量过低，白口倾向增大，铁水流动性差，缩孔，缩松缺陷倾向增大。

7、采用硅钡、钙、锶强效复合孕育剂使碳化物及珠光体均匀的在铸件中分布，消除凝固时间不一致、冷却速度对产品硬度的影响，使壁厚处与薄壁处硬度的一致性，细化石墨获得A状石墨。该高复合高效孕育剂具有孕育效果好，孕育持续时间长，抗衰退效果好的特点。硅钡、钙、锶复合高效孕育剂的生产制作方法：将规定比例的硅石、重晶石、莹石、石灰石、焦炭、钢屑、碳酸锶加入矿热炉中熔炼，升温熔化到1520摄氏度浇入铸型中，凝固冷却后，破碎而成。

本发明的床身材料，由于加入合金元素只有硼，而且量很少，仅为GM246中添加铬的十分之一，所以成本很低。而GM246材料中加入了铜、铬、钼、镍贵重金属，其中还有战略储备材料，两者相比，本发明的床身材料大大节约了成本和资源。本发明的床身材料性能上优于GM246材料，而成本大幅降低。

本发明技术方案研发过程中，发现了各主要元素对本发明材料性能的影响，经反复试验方得到本申请的技术方案（见下表）。

.一、碳的影响（下表中为元素的重量百分比省略%，下同）：从检测的数据可以看出，碳（C）较低时，抗拉强度偏低，硬度高，加工性能不好，随着碳（C）增加，强度和硬度在不断下降，对石墨形态的影响也十分明显。

二、硅的影响：硅（Si）较低时，由于孕育效果较差，石墨形态不好，虽然抗拉强度高，但硬度也高，加工性能不好。从实验的检测数据中不难看出，随着硅（Si）量不断升高，强度和硬度在不断下降。

三、硫的影响：硫（S）过低时，孕育效果差，石墨形态不好，虽然抗拉强度高，但硬度也高，加工性能不好。

四、锰的影响：锰（Mn）过低时，对石墨形态无影响，但抗拉强度和硬度都偏低，加工性能很好，但对材质不利。锰（Mn）过高时,出现异型石墨，虽然强度高，但硬度高，加工性能不好。

五、硼对产品热处理后的硬度的影响：硼（B）过低时，对石墨形态无影响，铸态性能良好，但热处理硬度不合格。硼（B）过高时,出现异型石墨，虽然铸态硬度高，但对热处理后的硬度影响不明显，加工性能也不好。

附图说明

图1是本发明材料的金相组织图：铸态，A状石墨>90%；

图2是本发明材料的金相组织图：铸态，基体：珠光体+碳化物；

图3是本发明材料的金相组织图：表面高频淬火后。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述：

将Z18#原生铁20%、回炉料25%、废钢55%、增碳剂为炉料总重的1.5%投入中频感应电炉中升温加热。待铁水熔清后加入铁合金添加剂：锰铁合金0.2%、硅铁合金0.85%、硼铁合金0.2%，升温及过热至1500摄氏度打渣，取样做成份检验，调整至目标化学成份，出炉。铁水浇注包倒入硅钡钙锶强效复合孕育剂：0.3%，孕育方法：冲入法。浇注温度为1420摄氏度。为防止孕育衰退，浇注时间控制在15分钟内完成。强效孕育剂化学成份为Si:55%、Ba:2%、Ca:2%、Sr:1.5%，余量为Fe。

所用原料化学成份（%）如下：

所得床身材料经嘉禾县坦塘工业园材料检验中心测试，抗拉强度321MPa、铸态硬度213HB、热处理后硬度55HRC、快速磨损径向磨损值0.065mm。

以上仅列一个实施例。本申请说明书所述各组分数值范围内的组合熔铸所得床身材料，经测试都能达到本申请说明书所述技术效果，即材料铸态硬度200-250HB、抗拉强度＞300MPa、表面淬火后的表面硬度52-58HRC、快速磨损径向磨损值0.065-0.07mm。

下表列举其中几组实施例各组分的重量比，制备方法相同：

Claims

1.一种机床床身材料，其特征在于：为铸铁材料，所含化学成份及重量份为C:2.9-3.1%、Si:1.6-1.9%、Mn:0.8-1.1%、P:0.07-0.1%、S:0.06-0.09%、B:0.03-0.04%、Ca:0.008-0.019%、Sr:0.005-0.01%，余量为Fe；

所述材料由如下重量份的原料熔铸而成：原生铁20-30%、回炉料25-35%、废钢35-55%、增碳剂为金属炉料总重的1-1.5%、锰铁合金0.1-0.3%、硅铁合金0.5-0.85%、硼铁合金0.2%、特殊强效孕育剂0.3%；所述特殊强效孕育剂化学成份为Si:45-60%、Ba:2-4%、Ca:1-2%、Sr:0.8-1.5%，余量为Fe；

2.根据权利要求1所述机床床身材料，其特征在于所述材料由如下重量份的原料熔铸而成：原生铁20%、回炉料25%、废钢55%、增碳剂为炉料总重的1.5%、锰铁合金0.2%、硅铁合金0.85%、硼铁合金0.2%、特殊强效孕育剂0.3%；所述特殊强效孕育剂化学成份为Si:55%、Ba:2%、Ca: 2%、Sr:1.5%，余量为Fe。