CN115074609B

CN115074609B - 一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁及其应用

Info

Publication number: CN115074609B
Application number: CN202210781964.9A
Authority: CN
Inventors: 帅德军; 帅德国
Original assignee: Xiangyang Jinnaite Machinery Co ltd
Current assignee: Xiangyang Jinnaite Machinery Co ltd
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2042-07-05
Also published as: CN115074609A

Abstract

本发明提供一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁的成分如下：C：3.3‑3.7％，Si：1.2‑1.6％，Mn：0.5‑0.9％，RE：0.05‑0.1％，P：0.3‑0.7％，S：0.03％以下，Mg：0.015‑0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质，该球墨铸铁的制备方法包括铸造后的铸坯热处理步骤，具体是：将铸坯加热至温度T，保温t₁，然后炉冷至595‑635℃保温t₂，然后空冷至室温，其中：885+2.61×C+4.5×Si+20.7×P≤T≤936+2.61×C+4.5×Si+20.7×P；944×C×(P‑2.27RE²)≤t₁≤1272×C×(P‑2.27RE²)；627.3×(Mn+2.12RE)≤t₂≤952.6×(Mn+2.12RE)；以上式中C、Si、P、RE、Mn均为相应元素的质量百分含量，T的单位为℃，t₁、t₂的单位均为秒。

Description

一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁及其应用

技术领域

本发明涉及球墨铸铁的技术领域，特别是提出了一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁及其应用，该球墨铸铁适用于高精度机床的导轨、床身等部件。

背景技术

机床被称为“工业之母”，是工业装备、零件制备的基础，是工业发展的核心。近年来，随着高端制造业大力发展，加工精度的要求也越来越高，这就对机床的加工水平提出了更高的要求。

机床的床身、导轨等部件通常使用珠光体型球墨铸铁制造，但是球墨铸铁在铸造过程中由于铁液流动性不好、补缩能力不理想等，导致铸件通常存在残余应力，在作为机床部件使用过程中，床身、导轨的残余应力的释放将使其发生形变，导致机床的加工精度受到负面影响。

为了解决珠光体型球墨铸铁残余应力的问题，科研工作者们提出了多种改进措施，主要包括：1、采用高的碳当量，即高硅，2、采用高的硅碳比，3、对铸件进行振动时效、热时效等处理，4、控制打箱温度等手段。然而，高碳当量、高硅碳比主要是为了保证铁水的流动性，使铸件在浇铸过程中可以充分充型，凝固过程中能够充分的补缩，从而确保浇铸后铸铁的残余应力较低，但带来的负面影响是Si含量较高，而Si是铁素体形成元素，不利于珠光体组织的获得，因此，需要额外添加Cu、Sn等等多种促进珠光体形成的元素来抵消Si的铁素体形成作用，导致成本过高；时效处理工艺复杂，通常要经过多段式的升温、保温，耗费时间长；控制打箱温度需要将铸型冷却至200℃以下再打箱，冷却工艺缓慢。并且，即使采用了上述工艺，其残余应力水平仍然较高。

综合以上问题，发明人提出一种成分简单、低残余应力、高弹性模量的珠光体型球墨铸铁。

发明内容

本发明提供一种成分简单、低残余应力、高弹性模量的珠光体型球墨铸铁，特别适用于作为高精度机床的床身、导轨等部件，在长期使用过程无残余应力释放导致的变形，在大负荷使用过程中不产生变形。

本发明的技术目的是通过以下手段实现的。

本发明的第一个方面在于提供一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，所述球墨铸铁的成分如下：C：3.3-3.7％，Si：1.2-1.6％，Mn：0.5-0.9％，RE：0.05-0.1％，P：0.3-0.7％，S：0.03％以下，Mg：0.015-0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质，该球墨铸铁的制备方法包括铸造后的铸坯热处理步骤，具体是：将铸坯加热至温度T，保温t₁，然后炉冷至595-635℃保温t₂，然后空冷至室温，其中：

885+2.61×C+4.5×Si+20.7×P≤T≤936+2.61×C+4.5×Si+20.7×P；

944×C×(P-2.27RE²)≤t₁≤1272×C×(P-2.27RE²)；

627.3×(Mn+2.12RE)≤t₂≤952.6×(Mn+2.12RE)；

以上式中C、Si、P、RE、Mn均为相应元素的质量百分含量，T的单位为℃，t₁、t₂的单位均为秒。

本发明的基本原理依据如下。

首先是元素成分方面。

与通常的低残余应力高弹性模量球墨铸铁采用高硅、高碳当量(CE)、低锰且磷为杂质元素不同，本发明与现有技术路线不同，采用了“低硅、高锰、高稀土、高磷”的成分设计。

由于Si的作用主要有三方面，一是强化、二是改善流动性，三是促进铁素体形成而阻碍珠光体形成，本发明采用低硅设计，首先保证珠光体的形成不受阻碍，而Mn是珠光体形成元素，同时也是强化元素，因此，一定程度的提高Mn可以弥补Si下降带来的强度上的损失并促进珠光体组织的获得；其次，低Si将导致铁水流动性减弱，为了弥补这一缺陷，引入了可以提高铁水流动性的磷元素，确保铁水流动性，从而避免铸造过程中出现充型不足、补缩不充分的问题，减弱了残余应力。

但是如本领公知的，铁水中P含量过高会导致粗大网状磷共晶的出现，其会降低铸件的强度并提高铸件的脆性，这是生产过程中所不期望的。因此，本发明还在成分中适当提高了稀土的含量，一方面，稀土是强化元素，可以提高强度，弥补Si降低带来的强度下降，另一方面，稀土是珠光体形成元素，对于珠光体组织的获得是至关重要的，再一方面，稀土对于细化石墨、促进石墨球化、改善铸铁性能也有积极影响。最后一方面，也是最重要的，适当的提高稀土的含量，可以避免高磷条件下铸造过程中粗大网状磷共晶的生成，同时细化磷共晶，为后续热处理过程中磷共晶的去除奠定基础。

如前所述，即使稀土避免了网状磷共晶的生成、细化了磷共晶，但是铸造组织中磷共晶的存在仍然是不希望的。其需要通过后续的热处理工艺来消除。

下面，对热处理工艺的原理进行介绍。

先将铸件加热至温度T，其中，885+2.61×C+4.5×Si+20.7×P≤T≤936+2.61×C+4.5×Si+20.7×P。结合C、Si、P含量设定本发明的加热温度，目的在于：细化石墨、球化石墨并且消除磷共晶，去除残余应力。但是温度也不能过高，过高的温度降导致铸件过烧和软化变形，因此，该温度由C、Si、P三者共同决定。温度过高，虽然消除磷共晶有利，但是石墨将过分长大，导致石墨大小级别和球化效果达不到要求，并且存在铸件过烧和软化变形的风险；温度过低则不仅细化和球化石墨效果不好，磷共晶也难以充分消除，残余应力释放不充分。

控制温度T下的保温时间t₁，944×C×(P-2.27RE²)≤t₁≤1272×C×(P-2.27RE²)，发明人研究发现，保温时间t₁对于石墨球化、细化效果和磷共晶去除以及残余应力释放的效果是十分重要的，该保温时间t₁由C、P、RE含量共同决定。保温时间过长，磷共晶虽然消除充分，但是石墨长大明显，石墨大小级别和球化效果受到影响；保温时间过短，则磷共晶消除不充分同时石墨的细化和球化效果发挥不充分，残余应力释放不充分。由于RE在熔炼铸造阶段起到细化石墨、球化石墨和细化磷共晶的作用，因此，RE含量越高则铸造阶段石墨细化、球化以及磷共晶细化效果越好，相应的热处理的时间也就可以越短。

元素的含量和组成、石墨的细化、球化水平对于获得高的弹性模量是至关重要的因素。

上述热处理之后，铸件随炉冷至595-635℃保温t₂，并且627.3×(Mn+2.12RE)≤t₂≤952.6×(Mn+2.12RE)，595-635℃下保温t₂，是为了消除炉冷过程中生成的珠光体的残余应力。随炉冷却过程中，奥氏体逐渐转变为珠光体(铁素体和渗碳体的机械混合物)，这个过程中，相变过程中新生的珠光体中将残留大量的奥氏体转化能量，这部分能量存在于珠光体中将会保留至室温形成残余应力，因此，需要在一定的温度下保持一定的时间予以释放，作为非限定性的描述，炉冷的冷却速度低于60℃/h。

595-635℃是珠光体转变基本完成的温度区间，在这一温度区间内某一温度保持一定时间，可以使奥氏体向珠光体转变过程的储能得到充分释放，从而确保低残余应力铸件的获得。如果处理温度高于635℃，珠光体转变尚未完成，则不可能充分释放相变残余能量，如果处理温度低于595℃，则珠光体组织已经基本稳定，不具备释放残余能量的条件，因此，需要在595-635℃范围内进行处理。

对于处理时间，Mn和RE均是珠光体形成元素，二者含量越高，则珠光体形成能力越强，对应的奥氏体过冷后珠光体形成的速度快，相变残余能量高，需要的处理时间长，而二者含量较低时，珠光体形成速度相对较慢，相变残余能量相对较低，需要的处理时间短。因此，发明人经过长期的生产试验研究，发现控制627.3×(Mn+2.12RE)≤t₂≤952.6×(Mn+2.12RE)，对于消除珠光体转变过程中相变残余能量是有效的，保持时间过长不仅影响生产效率，还会导致珠光体粗大化，影响球墨铸铁的性能，保持时间过短则相变残余能量得不到充分释放，不能够获得满足要求的低残余应力的球墨铸铁。

铸件在595-635℃保温t₂后空冷至室温，作为非限定性的描述，空冷冷却速度优选100-200℃/h。

因此，本发明的发明人基于上述见解，采用“低硅、高锰、高稀土、高磷”的含量设计同时配合简单的热处理，可以获得石墨球化效果好、石墨细化等级高、残余应力低的珠光体型球墨铸铁，而成分的配合以及优异的石墨球化效果和高的石墨细化等级对于高弹性模量的获得也起到了决定性的作用。

通过成分的合理搭配和热处理工艺控制，最终获得的球墨铸铁具有珠光体基体组织，珠光体的体积分数为95％以上，磷共晶体积分数1％以下，磷共晶优选0.5％以下，珠光体片层间距优选1μm以下，更优选0.5μm以下。其弹性模量为185GPa以上，残余应力为10MPa以下，优选弹性模量190GPa以上，残余应力8MPa以下，石墨大小等级达到6-7级，球化级别达到1-2级；所述球墨铸铁的室温抗拉强度650MPa以上，室温延伸率4.5％以上，优选室温抗拉强度700MPa以上。

作为进一步该改进的技术方案：当定义CEp＝C+Si/3+2.15P时，CEp为4.6-5.4，式中C、Si、P均为相应元素的质量百分含量；发明人发现，通过将CEp限定在4.6-5.4范围内，可以获得最优异的铁水流动性且铸件弹性模量优异，从而获得更低的残余应力水平和更高的弹性模量，结合前述热处理工艺的控制，可实现8MPa以下的残余应力以及195GPa以上的弹性模量。

本发明的另一方面在于提供一种基于前述低残余应力、高弹性模量球墨铸铁的应用，主要是将其应用于机床床身、导轨部件，特别是高精度机床的床身、导轨部件，本发明的球墨铸铁具有高的弹性模量和低的残余应力，从而能够确保在长期使用过程无残余应力释放导致的变形，在大负荷使用过程中不产生变形，确保机床的加工精度。

本发明的有益效果如下。

1)、采用“低硅、高锰、高稀土、高磷”的含量设计理念，降Si的同时提高Mn和稍微增加RE的含量，可以在不添加其它Cu、Cr、Sn等元素的基础上保证珠光体的形成，同时Mn和RE弥补降Si带来的强度损失，成分设计简单，合金元素用量少，成本低。

2)降Si会导致铁水的流动性变差，从而影响充型和补缩效果，导致残余应力变大，本发明为了解决低Si条件下的上述问题，增加了磷元素的用量，通过提高P来抵消低Si带来的铁水流动性恶化的问题。由于磷通常由材料带入，并且是难以去除的杂质元素，本发明在不刻意的去除P的基础上，反而合理的利用P带来的正面效果，减少了铁水冶炼过程中脱磷的步骤和成本，简化了工艺，降低了生产成本。

3)为了缓解磷过高产生的磷共晶带来的负面影响，本发明的高RE也起到了正面的作用，其在冶炼阶段有效的细化了磷共晶，同时还细化了石墨并促进了球化，确保了高弹性模量的获得并且为后续热处理消除磷共晶打下了基础。此外，RE还具有强化和促进珠光体形成的作用。

4)本发明提出了后续热处理工艺，在温度T下进行t₁时间的热处理，可以消除磷共晶，进一步细化石墨和促进球化，并且一定程度的去除残余应力，然后在595-635℃下保温t₂，可以使奥氏体向珠光体转变过程中残留在珠光体中的相变残余能量得到充分释放，从而消除残余应力。同时本发明结合体系特点，在确保上述各个阶段作用有效充分发挥的基础上，获得了T、t₁、t₂的影响因素和控制机制。

5)相比于国内QT600-3材质仅有150GPa左右的弹性模量，本发明的强度、塑性、弹性模量均达到更高水平，并且残余应力控制在10MPa以下，远优于现有技术水平。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。

按照设计成分熔炼铁液并浇铸成铸坯，具体成分见表1，其中试验序号5浇铸13块试样以备后续热处理试验。将铸坯加热至温度T，保温t₁，然后以40℃/h的冷却速度炉冷至615℃保温t₂，然后以120℃/h的冷却速度空冷至室温，具体的热处理参数件表2。表2中，T_R、t_1R、t_2R表示根据球墨铸铁实际的成分，按照本发明的公式计算得到的T、t₁、t₂范围；T、t₁、t₂表示实际热处理的工艺参数。

对热处理后的铸坯在室温下对抗拉强度R_m、延伸率A、弹性模量E、残余应力σ_r及金相组织进行检测，见表3。R_m、A参照GB/T 228.1-2021进行测试，E参照GB/T22315-2008进行测试，金相组织参照GB/T 9441-2021进行观察，σ_r参照GB/T31310-2014进行测试。

表1：球墨铸铁成分(除CEp外均为％)，余量为Fe

序号	C	Si	P	RE	Mn	Mg	S	CEp	类型
										1	3.36	1.26	0.34	0.067	0.72	0.033	0.021	4.50	发明例
2	3.36	1.26	0.55	0.067	0.72	0.033	0.022	4.95	发明例
										3	3.51	1.58	0.36	0.058	0.55	0.028	0.02	4.80	发明例
4	3.51	1.58	0.67	0.058	0.55	0.028	0.019	5.46	发明例
										5	3.48	1.35	0.42	0.073	0.67	0.034	0.019	4.82	发明例
6	3.62	1.43	0.66	0.082	0.71	0.022	0.021	5.50	发明例
										7	3.4	1.43	0.66	0.082	0.71	0.022	0.022	5.28	发明例
8	3.67	1.23	0.49	0.087	0.82	0.035	0.021	5.12	发明例
										9	3.45	1.46	0.68	0.096	0.87	0.019	0.02	5.38	发明例
10	3.45	1.6	0.68	0.096	0.87	0.019	0.019	5.42	发明例
										11	3.48	<u>1.08</u>	0.42	0.073	0.67	0.034	0.02	4.73	<u>对比例</u>
12	3.48	<u>1.77</u>	0.42	0.073	0.67	0.034	0.018	4.96	<u>对比例</u>
										13	3.67	1.23	<u>0.21</u>	0.087	0.82	0.035	0.02	4.53	<u>对比例</u>
14	3.67	1.23	<u>0.82</u>	0.087	0.82	0.035	0.021	5.82	<u>对比例</u>
										15	3.4	1.43	0.66	<u>0.031</u>	0.71	0.022	0.02	5.28	<u>对比例</u>
16	3.4	1.43	0.66	<u>0.121</u>	0.71	0.022	0.018	5.28	<u>对比例</u>
										17	3.36	1.26	0.55	0.067	<u>0.39</u>	0.033	0.022	4.95	<u>对比例</u>
18	3.36	1.26	0.55	0.067	<u>1.02</u>	0.033	0.022	4.95	<u>对比例</u>

表2：各个铸坯的热处理参数(炉冷温度均为615℃)

对试验序号1-18的铸坯的检测结果见表3。

表3：各个铸坯的性能及组织

下面，结合试验序号1-18对本发明的元素作用进行分析。

1、对于Si元素。

参见对比例11-12和发明例5。在其他元素不变的基础上，对比例11相对于发明例5降低了Si含量，对比例12相对于发明例5提高了Si含量。比较发现，对比例11由于Si含量过低，其强度和弹性模量得不到保证，并且铁水流动性不足，导致浇铸过程中补缩能力差，铸造过程中形成较大残余应力；对比例12的Si含量过高，虽然其强度尚可，但是延伸性急剧下降，并且Si含量过高导致珠光体形成受阻，珠光体体积分数达不到要求，铁素体含量过高导致基体组织中两种相在形成过程中交错积蓄的能量过大无法充分释放，导致残余应力较高。说明合适的Si元素含量对于获得本发明的强度、延伸率、残余应力、弹性模量、珠光体体积有重要影响。

2、对于P元素。

参见对比例13-14和发明例8。在其他元素不变的基础上，对比例13相对于发明例8降低了P含量，对比例14相对于发明例8提高了P含量。比较发现，对比例13由于P含量过低，导致铁水流动性不足，浇铸过程中铁水充型、补缩能力差，导致铸造缺陷过多，从而强度、延伸率、弹性模量下降，残余应力增加；对比例14由于P含量过高，导致组织中磷共晶含量过大，无法通过后需热处理工序充分去除，磷共晶脆性高并且破坏基体组织的连续性，导致强度、延伸率、弹性模量下降，残余应力增加。说明合适的P元素含量对于获得本发明的强度、延伸率、残余应力、弹性模量、磷共晶的控制有重要影响。

3、对于RE元素。

参见对比例15-16和发明例7。在其他元素不变的基础上，对比例15相对于发明例7降低了RE含量，对比例16相对于发明例7提高了RE含量。比较发现，对比例15由于RE含量过低，对球墨铸铁的强化作用不足，对石墨的细化和球化作用不足、对磷共晶的细化作用不足，珠光体形成能力欠缺，铁素体含量过高导致基体组织中两种相在形成过程中交错积蓄的能量过大无法充分释放，导致球墨铸铁的强度、延伸率、弹性模量过低而残余应力过高，石墨大小级别、石墨球化级别、珠光体体积以及磷共晶均达不到要求；对比例16由于RE含量过高，导致球墨铸铁基体中夹杂物过多，同时RE过高珠光体形成能力过强，在615℃的短时间保温不能使相变能量充分释放，导致残余应力过高，因此，强度、延伸率、弹性模量受到恶化，残余应力过高。说明合适的RE含量对于获得本发明的强度、延伸率、残余应力、弹性模量、石墨大小级别、球化级别、珠光体体积以及磷共晶的控制有重要影响。

4、对于Mn元素。

参见对比例17-18和发明例2。在其他元素不变的基础上，对比例17相对于发明例2降低了Mn含量，对比例18相对于发明例2提高了Mn含量。比较发现，对比例17由于Mn含量过低，强度和弹性模量达不到要求，并且珠光体形成能力不足，铁素体含量过高导致基体组织中两种相在形成过程中交错积蓄的能量过大无法充分释放，导致残余应力较高；对比例18由于Mn含量过高，导致球墨铸铁的延伸率下降，并且Mn过高珠光体形成能力过强，在615℃的短时间保温不能使相变能量充分释放，导致残余应力过高。可见，合适的Mn含量对于获得本发明的强度、延伸率、弹性模量、残余应力、珠光体体积有重要影响。

5、对于CEp。

发明例2、3、5、7、8、9的CEp均为4.6-5.4范围内，其残余应力均可以达到8MPa以下，弹性模量达到195GPa以上，说明合适的CEp对于获得最佳的流动性和充型性能以及弹性模量有着很重要的作用，并且通过比对发明例1和2(P单一变量)、发明例3和4(P单一变量)、发明例6和7(C单一变量)、发明例9和10(Si单一变量)可知，在本发明成分范围内改变C、P、Si时，CEp满足4.6-5.4的发明例，其具有更优异的残余应力和弹性模量。这就说明控制合理的CEp对于获得更加优异的残余应力和弹性模量有着重要的作用。

接下来，对浇铸的13块试验序号5的试样进行不同参数的热处理。前面已经介绍过，试验序号5共浇铸了13块试样，我们分别给定其序号为5、5-1、5-2、……5-11、5-12。其中，序号5在前述的试验中已经进行了相应的热处理和性能分析，因此，试验序号5仍然沿用前述的处理工艺和检测结果。

由于各试样的成分是相同的，根据前述表2中的计算，其T_R＝909-960℃、t_1R＝1340-1806秒、t_2R＝517-786秒，在试验过程中对T、t₁、t₂以及炉冷目标温度等热处理参数进行调整。热处理之后，测试性能并观察组织。除非表4中有特殊说明，否则各个铸坯均是在温度T下保温t₁之后以40℃/h的冷却速度炉冷至一定温度，然后保温t₂后以120℃/h的冷却速度空冷至室温，具体参数和性能组织检测结果见表4、5。

表4：各个铸坯的热处理参数

表5：各个铸坯的性能及组织

下面，针对试验序号5～5-12进行分析。

1、对于热处理温度T。

参见对比例5-1～5-2以及发明例5。成分和其它热处理参数相同的基础上，对热处理温度T进行了调整。对比例5-1的热处理温度过低，导致处理过程中石墨细化和球化效果不好，磷共晶也难以充分消除，残余应力释放不充分，奥氏体化不够充分，珠光体形成动力不足，最终强度、延伸率、弹性模量、残余应力、石墨大小级别、球化等级、珠光体体积分数以及磷共晶体积分数达不到要求；对比例5-2的热处理温度过高，石墨过分长大并且影响球化效果，导致强度、韧性、弹性模量、石墨大小级别、球化等级无法满足发明要求。说明合适的热处理温度T对于获得发明要求的强度、延伸率、弹性模量、残余应力、石墨大小级别、球化等级以及磷共晶体积分数是重要的。

2、对于保温时间t₁。

参见对比例5-3～5-4以及发明例5。成分和其它热处理参数相同的基础上，对保温时间t₁进行了调整。对比例5-3的保温时间过短，则磷共晶消除不充分同时石墨的细化效果发挥不充分，残余应力释放不充分，导致强度、延伸率、弹性模量、残余应力、石墨大小级别、磷共晶体积分数达不到要求；对比例5-4的保温时间过长，但是石墨长大明显，石墨大小级别和球化效果受到影响，导致强度、延伸率、弹性模量、石墨大小级别以及球化等级达不到发明要求。说明合适的保温时间t₁对于获得发明要求的强度、延伸率、弹性模量、残余应力、石墨大小级别、球化等级以及磷共晶体积分数是重要的。

3、对于炉冷目标温度。

参见对比例5-5～5-6以及发明例5。成分和其它热处理参数相同的基础上，对炉冷目标温度进行了调整。对比例5-5的炉冷目标温度过低，此时珠光体组织已经基本稳定，不具备释放残余能量的条件，因此其残余应力较高；对比例5-6的炉冷目标温度过高，珠光体转变尚未完成，则不可能充分释放相变残余能量，残余应力较高，并且此温度下停留会导致珠光体长大，导致机械性能变差，导致强度、延伸率、弹性模量不能够满足本发明的要求。可见，合适的炉冷目标温度对于获得本发明要求的强度、延伸率、弹性模量和残余应力是至关重要的因素之一。

4、对于保温时间t₂。

参见对比例5-7～5-8以及发明例5。成分和其它热处理参数相同的基础上，对炉冷后的保温时间t₂进行了调整。对比例5-7的保温时间过短，相变过程残留的应力得不到充分释放，导致球墨铸铁的残余应力更高；对比例5-8的保温时间过长，虽然残余应力得以充分消除，但是珠光体长大明显，机械性能恶化，导致强度、延伸率、弹性模量不能够满足本发明的要求。可见，合适的炉冷后的保温时间t₂对于获得本发明要求的强度、延伸率、弹性模量和残余应力是至关重要的因素之一。

此外，发明还进行了仅进行在温度T下保温t₁后炉冷或空冷至室温的对比试验。

对比例5-9、5-10分别是温度T保温t₁后炉冷或空冷至室温。

通过分析对比例5-9发现，在本发明范围内保温相应时间后炉冷至室温，对于石墨形态、磷共晶、强度、延伸率、弹性模量几乎没有影响，其影响主要体现在残余应力方面，由于其工艺没有在595-635℃区间保温一定的时间，相变过程中积蓄的能量无法得到充分的释放，从而导致了铸件的残余应力水平较高，另外，由于全程采用炉冷，珠光体在低温区发生相变和分解，导致最终的珠光体体积分数达不到要求。

对比例5-10在本发明范围内保温相应时间后空冷至室温，该工艺对于石墨形态、磷共晶几乎没有影响，其影响主要体现在强度、延伸率、弹性模量、残余应力以及基体组织方面，其原因在于：奥氏体阶段空冷会导致过冷度较大，奥氏体发生贝氏体转变，导致基体珠光体组织无法保证，并且组织的变化导致机械性能的变化，强度、延伸率、弹性模量得不到保证，由于其冷却速度快，相变的能量无法充分释放，并且微观组织间交错生长过程中形成残余应力，导致球墨铸铁的残余应力水平较高。

对比例5-11是铸态的铸坯，未进行热处理。没有经过后续的热处理，其石墨大小级别和球化等级达不到发明要求，其强度、延伸率、弹性模量、珠光体体积分数以及磷共晶也均达不到发明的要求，特别是残余应力，由于没有经过热处理进行残余应力的释放，其残余应力水平特别高，这也证明了需要同时采用本发明的成分组成和制备工艺才能最终获得各项性能和组织满足要求的球墨铸铁。

对比例5-12的铸坯仅在595-635℃温度区间保温一定时间然后空冷，而没有在温度T下保温t₁的步骤。试验证明，仅仅在595-635℃温度区间保温一定时间，相比于铸态的球墨铸铁，虽然可以一定程度的减缓残余应力，但是其无法对石墨大小进行细化，也无法促进石墨球化，更无法消除磷共晶，导致其强度、延伸率、弹性模量、石墨大小级别、球化级别、珠光体体积分数、磷共晶体积分数均无满足发明要求，其残余应力虽然相比于铸态有所下降，但是由于不能充分释放，仍达不到本发明的要求。

本发明提供的低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，具有优异的强度、韧性，并且残余应力水平极低，弹性模量较高，可用于制备高精度机床的床身、导轨等部件，在长期使用过程中尺寸稳定性好，大载荷工作下不易变形，精度高、稳定性优异。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims

1.一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁的成分如下：C：3.3-3.7%，Si：1.2-1.6%，Mn：0.5-0.9%，RE：0.05-0.1%，P：0.3-0.7%，S：0.03%以下，Mg：0.015-0.045%，余量为Fe和不可避免的杂质，该球墨铸铁的制备方法包括铸造后的铸坯热处理步骤，具体是：将铸坯加热至温度T，保温t₁，然后炉冷至595-635℃保温t₂，然后空冷至室温，其中：

885+2.61×C+4.5×Si+20.7×P≤T≤936+2.61×C+4.5×Si+20.7×P；

944×C×(P-2.27RE²)≤t₁≤1272×C×(P-2.27RE²)；

627.3×(Mn+2.12RE)≤t₂≤952.6×(Mn+2.12RE)；

2.根据权利要求1所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁具有珠光体基体组织，珠光体的体积分数为95%以上，磷共晶体积分数1%以下。

3.根据权利要求2所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述珠光体的片层间距为1μm以下。

4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁的弹性模量为185GPa以上，残余应力为10MPa以下。

5.根据权利要求4所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁的弹性模量为190GPa以上。

6.根据权利要求1所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：定义CEp=C+Si/3+2.15P，CEp为4.6-5.4，式中C、Si、P均为相应元素的质量百分含量。

7.根据权利要求1所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁的室温抗拉强度650MPa以上，室温延伸率4.5%以上。

8.权利要求1-7任一项所述的一种低残余应力、高弹性模量球墨铸铁的应用，其特征在于，应用于机床床身、导轨部件。