高强度高弹性模量低应力灰铸铁及其制造方法.pdf

本发明公开了一种高强度高弹性模量低应力灰铸铁及其制造方法，通过优化原料配比，结合合金化、改进熔炼、孕育、时效处理工艺，在提高碳当量和硅碳比的情况下，得到具有优异综合性能的灰铸铁。本发明灰铸铁的成分组成为C：3.15~3.25%；Si：1.80~2.00%；CE：3.75~3.90%；Mn：0.70~1.00%；P：≤0.07%；S：0.06~0.10%；Cu：0.50~0.70%；Cr：0.20~0.30%，其组织和性能为：珠光体含量≥95%，A型石墨，石墨长度4~5级，渗碳体+磷共晶含量＜0.5%；抗拉强度≥300MPa，弹性模量≥120GPa，硬度HB190~220，内应力≤20MPa。解决了机床用灰铸铁件难以同时达到高强度、高弹性模量与低应力的技术难题，有效减小铸件因残余应力随时间的释放而导致的变形和断裂。

权利要求书
1.  一种高强度高弹性模量低应力灰铸铁，其特征在于：所述灰铸铁的成分组成为：C：3.15~3.25%；Si：1.80~2.00%；CE：3.75~3.90%；Mn：0.70~1.00%；P：≤0.07%；S：0.06~0.10%；Cu：0.50~0.70%；Cr：0.20~0.30%，余量为Fe。

2.  根据权利要求1所述的高强度高弹性模量低应力灰铸铁的制造方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步，造型、制芯：
采用树脂砂造型、制芯，型腔表面涂刷醇基石墨涂料，在厚大部位放置冷铁，冷铁使用面要求平整，没有缺陷；
第二步，原料配制：
按优质碳素废钢:高纯生铁:回炉料=60~70%:5~10%:20~35%之重量百分比称取原料，其中：所用高纯生铁的化学成分为：C：4.61%；Si：0.62%；Mn：0.08%；S：0.026%；P：0.011%；Ti：0.030%，余量为Fe；所用优质碳素废钢的化学成分为：C：0.16%；Si：0.23%；Mn：0.44%；S：0.02%；P：0.027%，余量为Fe；所述的化学成分为：C：3.20%；Si：1.90%；Mn：0.80%；P：0.03%；S：0.08%；Cu：0.60%；Cr：0.25%，余量为Fe；
第三步，铁液熔炼：
将原料经400℃±10℃烘烤预热后加入中频感应电炉熔炼，原料熔清后添加石墨增碳剂和75#硅铁，调整铁液含碳量到3.15~3.25%、含硅量到1.1~1.3%为止，铁液过热温度1510~1540℃，静置时间8~10 min，出铁温度1480~1510℃；
第四步，合金化处理：
按铁液总重量的1.40~2.00%添加颗粒状合金，合金种类及其添加量为Mn：0.70~1.00%，Cu：0.50~0.70%，Cr：0.20~0.30%，经400℃±10℃烘烤预热后在铁液出炉倒入浇包时随流加入；
第五步，强化孕育：
按铁液总重量的0.2%称取SiFe75孕育剂，按铁液总重量的0.3~0.4%称取3~8mm的大粒度高钙钡孕育剂，按铁液总重量的0.1%称取0.2~0.7mm的小粒度高钙钡孕育剂， 400℃±10℃烘烤预热后，将SiFe75孕育剂用于包底孕育、大粒度高钙钡孕育剂用于出铁槽孕育、小粒度高钙钡孕育剂在浇注时通过随流孕育机随流加入；
第六步，浇注：
当铁液温度降至1340~1360℃时进行浇注，浇注结束后，在冒口的铁液表面撒珍珠砂保温；
第七步，打箱清理：
当铸件温度冷却至280℃以下时打箱，即可得到成分组成为C：3.15~3.25%；Si：1.80~2.00%；CE：3.75~3.90%；Mn：0.70~1.00%；P：≤0.07%；S：0.06~0.10%；Cu：0.50~0.70%；Cr：0.20~0.30%，余量为Fe的灰铸铁，该灰铸铁的抗拉强度≥300 MPa，硬度HB 190~220，弹性模量≥120 GPa，珠光体含量≥95%，A型石墨，石墨长度4~5级，渗碳体+磷共晶含量＜0.5%；
第八步，时效处理：采用阶梯式升温降温法热时效工艺对铸件进行消应力处理，使所得铸件的内应力≤20MPa。

3.  根据权利要求2所述的高强度高弹性模量低应力灰铸铁的制造方法，其特征在于：所述第四步中颗粒状合金的粒度为2~10mm。

4.  根据权利要求2所述的高强度高弹性模量低应力灰铸铁的制造方法，其特征在于：所述第五步中高钙钡孕育剂的成分为Si：72~78%；Ca：1.0~2.0%；Ba：2.0~3.0%；Al：<1.5%，余量为Fe；SiFe75孕育剂中的Si含量为70~80%。

5.  根据权利要求2所述的高强度高弹性模量低应力灰铸铁的制造方法，其特征在于：第八步中所述的阶梯式升温降温法热时效工艺的参数为：装炉温度小于100℃；退火温度600℃、升温速度50~60℃/h、保温时间6h；降温速度25℃/h，每降50℃保温一次、每次保温2~3h，降温至室温出炉；炉温温差保持在±5℃。

说明书高强度高弹性模量低应力灰铸铁及其制造方法
技术领域
本发明涉及灰铸铁，尤其是涉及一种适合制造机床铸件的高强度高弹性模量低应力灰铸铁，本发明还涉及该灰铸铁的制造方法。
背景技术
随着数控机床逐渐往高精度、强力切削、高速切削、大型化、薄壁化等方面的不断发展，要求机床铸件的材质需要具有高强度、高刚度、低应力与高的精度保持性。目前机床铸件大部分为灰铸铁，国内外实践证明，高碳当量、高强度灰铸铁是灰铸铁的发展方向，它是灰铸铁在高强度下获得“低的铸造应力、良好的加工性能、良好的铸造性能”的重要途径，是这三方面达到综合平衡的重要措施。
据调查，国内大部分机床铸件生产厂家皆以较大幅度地降低碳当量来达到高强度，因此，在生产HT300时，因收缩的增加导致的缩松、因铸造应力的增加引起的变形、因硬度的增加导致的加工性能恶化是生产高牌号机床铸件经常发生的问题。调查发现有81%的企业认为机床铸件高强度、高刚度与低应力的矛盾是技术难题。
现有的灰铸铁生产方法中，通过添加适量的Cu、Sn、Sb、Cr等合金元素来细化共晶团、强化基体而得到抗拉强度≥300MPa的灰铸铁，但此种生产方法存在以下问题：1、难以同时达到高强度和高弹性模量两个指标，当抗拉强度≥300MPa时，铸件的弹性模量一般为100~115GPa，处于较低的水平，并且国内在铸件生产中几乎都没有控制弹性模量这项性能指标；2、孕育处理方法比较粗放，孕育剂多大量采用75#硅铁，只进行包内孕育和浮硅孕育，孕育剂吸收率低，孕育不到位，孕育效果检验欠缺、孕育衰退难以防止；3、不测量铸件的残余应力，也没有将残余应力作为控制指标，铸件的残余应力变化幅度大(为50~250MPa)；4、不进行热时效处理，或者热时效时的退火温度、升降温速度、保温时间等工艺参数均不按规范进行，导致铸件的残余应力不降反升，严重的导致铸件变形甚至开裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种技术指标可满足高档数控机床铸件要求的高强度高弹性模量低应力灰铸铁，本发明还提供该灰铸铁的制造方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的高强度高弹性模量低应力灰铸铁的成分组成为（按质量百分比计）：C：3.15~3.25%；Si：1.80~2.00%；CE：3.75~3.90%；Mn：0.70~1.00%；P：≤0.07%；S：0.06~0.10%；Cu：0.50~0.70%；Cr：0.20~0.30%，余量为Fe。
本发明所述的高强度高弹性模量低应力灰铸铁的制造方法包括下述步骤：
第一步，造型、制芯：
采用树脂砂造型、制芯，型腔表面涂刷醇基石墨涂料，重要部位应刷两次，刷涂料时要求表面光洁、棱角清晰；在厚大部位放置冷铁，冷铁使用面要求平整，没有油污、气孔、锈蚀、缺损等缺陷；
第二步，原料配制：
配料原则是“高废钢配比+增碳”，按优质碳素废钢:高纯生铁:回炉料=60~70%:5~10%:20~35%之重量百分比称取原料，其中：所用高纯生铁的化学成分为：C：4.61%；Si：0.62%；Mn：0.08%；S：0.026%；P：0.011%；Ti：0.030%，余量为Fe；所用优质碳素废钢的化学成分为：C：0.16%；Si：0.23%；Mn：0.44%；S：0.02%；P：0.027%，余量为Fe；所述回炉料为同材质回炉料，化学成分为：C：3.20%；Si：1.90%；Mn：0.80%；P：0.03%；S：0.08%；Cu：0.60%；Cr：0.25%，余量为Fe；
第三步，铁液熔炼：
将原料经400℃±10℃烘烤预热后加入中频感应电炉熔炼，原料熔清后添加石墨增碳剂和75#硅铁，调整铁液含碳量到3.15~3.25%、含硅量到1.1~1.3%为止，铁液过热温度为1510~1540℃，静置时间8~10 min，出铁温度为1480~1510℃；
第四步，合金化处理：
按铁液总重量的1.40~2.00%添加颗粒状合金，合金种类及其添加量为Mn：0.70~1.00%，Cu：0.50~0.70%，Cr：0.20~0.30%，经400℃±10℃烘烤预热后在铁液出炉倒入浇包时随流加入；
第五步，强化孕育：
采用“包底孕育+出铁槽孕育+随流孕育”相结合的复合强化孕育方式，按铁液总重量的0.2%称取SiFe75孕育剂，按铁液总重量的0.3~0.4%称取3~8mm的大粒度高钙钡孕育剂，按铁液总重量的0.1%称取0.2~0.7mm的小粒度高钙钡孕育剂， 400℃±10℃烘烤预热后，将SiFe75孕育剂用于包底孕育、大粒度高钙钡孕育剂用于出铁槽孕育、小粒度高钙钡孕育剂在浇注时通过随流孕育机随流加入；
第六步，浇注：
当铁液温度降至1340~1360℃时进行浇注，浇注结束后，在冒口的铁液表面撒珍珠砂保温；
第七步，打箱清理：
当铸件温度冷却至280℃以下时打箱，即可得到成分组成为C：3.15~3.25%；Si：1.80~2.00%；CE：3.75~3.90%；Mn：0.70~1.00%；P：≤0.07%；S：0.06~0.10%；Cu：0.50~0.70%；Cr：0.20~0.30%的灰铸铁，该灰铸铁的抗拉强度≥300 MPa，硬度HB 190~220，弹性模量≥120 GPa，珠光体含量≥95%，A型石墨，石墨长度4~5级，渗碳体+磷共晶含量＜0.5%；
第八步，时效处理：
采用阶梯式升温降温法热时效工艺对铸件进行消应力处理，使所得铸件的内应力≤20MPa。
上述第四步中颗粒状合金的粒度为2~10mm。
上述第五步中高钙钡孕育剂的成分为Si：72~78%；Ca：1.0~2.0%；Ba：2.0~3.0%；Al：<1.5%，余量为Fe；SiFe75孕育剂中的Si含量为70~80%。
上述第八步中的阶梯式升温降温法热时效的工艺参数为：装炉温度小于100℃；退火温度600℃、升温速度50~60℃/h（升温到200℃、400℃时各保温1小时）、保温时间6h（根据铸件壁厚而定，以1h烧透25mm计）；电脑控制降温，降温速度25℃/h，每降50℃保温一次、每次保温2~3h（视铸件壁厚而定，以1h烧透25mm计)，降温至室温出炉；炉温温差保持在±5℃。
在本发明中，通过“高废钢配比+增碳“的工艺，将废钢加入量从现有的45~50%提高到60~70%，既能有效降低有害微量元素，又能显著提高形核能力、减小收缩和白口倾向，同时由于熔炼过程中有碳层的保护，铁液的氧化倾向减小，达到了净化铁液的作用；通过加入高质量的石墨增碳剂提高碳含量，将碳当量稳定在较高的水平（3.75~3.90%），可改善铁液的流动性，使石墨细小、均匀、品质好，并且较高的碳当量有利于减小铸件的内应力；通过Cu-Mn-Cr复合合金化处理能显著提高珠光体含量、强化基体，显著提高抗拉强度、硬度，同时提高弹性模量，以提高铸铁的材质刚度；本发明制造方法中的合金是以粒状的形式在铁液出炉时随流冲入，改变了原有工艺中的合金通常是在熔炼过程中以大块状加入炉中，加入量更精确，有利于合金元素的快速、充分吸收及在铁液中的均匀分散，提高组织均匀性，并避免合金在高温铁液中停留时间过长而烧损；选择不同粒度的孕育剂，采用包底孕育、出铁槽孕育与随流孕育相结合的复合强化孕育方式，通过随流孕育机精确加入孕育剂，以保证良好的孕育效果，有利于提高弹性模量、提高组织均匀性；打箱温度从现有的500~590℃降到280℃以下，有利于减小铸件的铸造内应力；采用“阶梯式升温降温法”热时效工艺，提高退火温度、增加保温阶段和保温时间、减缓升降温速度，既能防止铸件因温度的剧烈变化而发生变形甚至开裂，又有利于更好的消除残余应力，可使铸件的残余应力降到20MPa以下。
本发明制造方法的特色是“高温纯净的基铁铁液+复合合金化+精确加入”，其技术措施为“高碳当量+复合合金化+强化孕育+低温打箱+阶梯式升温降温法热时效处理”，所得到的灰铸铁的显微组织为：珠光体含量≥95%，A型石墨，石墨长度4~5级；力学性能为：抗拉强度≥300MPa，硬度HB190~220，同时弹性模量≥120GPa，内应力≤20MPa；在高碳当量下同时具有高强度、高弹性模量和低应力的优异性能，能够达到牌号HT300灰铸铁的质量标准，满足了高档数控机床铸件的技术要求。
附图说明
图1是实施例1制造的灰铸铁的石墨图片。
图2是实施例1制造的灰铸铁的基体图片。
图3是实施例1制造的灰铸铁的热时效工艺曲线图。
具体实施方式
实施例1
制造成分组成为C：3.15%；Si：1.80%；CE：3.75%；Mn：0.80%；P≤0.07%；S：0.06%；Cu：0.50%；Cr：0.20%；余量为Fe的灰铸铁：
第一步，造型、制芯：采用树脂砂造型、制芯，型腔表面涂刷醇基石墨涂料，重要部位应刷两次，刷涂料时要求表面光洁、棱角清晰；在厚大部位放置冷铁，冷铁使用面要求平整，没有油污、气孔、锈蚀、缺损等缺陷；
第二步，原料配制：按“碳素废钢:高纯生铁:回炉料=60%:5%:35%”之重量百分比称取原料，其中：高纯生铁的化学成分为：C：4.61%；Si：0.62%；Mn：0.08%；S：0.026%；P：0.011%；Ti：0.030%,余量为Fe；碳素废钢的化学成分为：C：0.16%；Si：0.23%；Mn：0.44%；S：0.02%；P：0.027%，余量为Fe；回炉料为同材质回炉料，化学成分为：C：3.20%；Si：1.90%；Mn：0.80%；P：0.03%；S：0.08%；Cu：0.60%；Cr：0.25%，余量为Fe；
第三步，铁液熔炼：将原料经400℃±10℃烘烤预热后加入中频感应电炉熔炼，原料熔清后加石墨增碳剂和75#硅铁，调整铁液的含碳量到3.15%和含硅量到1.2%为止，铁液过热温度为1545℃，静置时间8 min，出铁温度为1500℃；
第四步，合金化处理：按铁液总重量的1.50%添加合金，合金种类及其添加量为Mn：0.80%，Cu：0.50%，Cr：0.20%，合金均为粒度2~10mm的颗粒状，经400℃±10℃烘烤预热后在铁液出炉倒入浇包时随流加入；
第五步，强化孕育：按铁液总重量的0.2%称取SiFe75孕育剂（其中的Si含量为70~80%），按铁液总重量的0.3%称取3~8mm大粒度的高钙钡孕育剂、按铁液总重量的0.1%称取0.2~0.7mm小粒度的高钙钡孕育剂， 400℃±10℃烘烤预热后，将SiFe75用于包底孕育、大粒度的高钙钡孕育剂用于出铁槽孕育、小粒度的高钙钡孕育剂在浇注时通过随流孕育机随流加入,其中高钙钡孕育剂的成分为Si：72~78%；Ca：1.0~2.0%；Ba：2.0~3.0%；Al：<1.5%，余量为Fe；
第六步，浇注：浇注温度为1360℃，浇注结束后，在冒口的铁液表面撒珍珠砂保温；
第七步，打箱清理：当铸件温度冷却至250℃时打箱，得到灰铸铁的金相组织见图1、图2，珠光体含量95%，A型石墨，石墨长度4~5级，渗碳体+磷共晶含量＜0.5%，抗拉强度305MPa，硬度HB198，弹性模量125GPa；
第八步，时效处理：采用阶梯式升温降温法热时效工艺对铸件进行消应力处理，热时效工艺曲线图见图3所示，得到铸件的最大残余应力为16.9MPa，达到了牌号HT300灰铸铁的质量性能，同时具有高强度、高弹性模量和低应力的优异性能，可满足机床铸件的技术要求。
实施例2
制造成分组成为C：3.25%；Si：1.90%；CE：3.88%；Mn：1.00%；P≤0.07%；S：0.08%；Cu：0.70%；Cr：0.30%；余量为Fe的灰铸铁：
第一步，造型、制芯：采用树脂砂造型、制芯，型腔表面涂刷醇基石墨涂料，重要部位应刷两次，刷涂料时要求表面光洁、棱角清晰；在厚大部位放置冷铁，冷铁使用面要求平整，没有油污、气孔、锈蚀、缺损等缺陷；
第二步，原料配制：按“碳素废钢:高纯生铁:回炉料=70%:10%:20%”之重量百分比称取原料，其中：高纯生铁的化学成分为：C：4.61%；Si：0.62%；Mn：0.08%；S：0.026%；P：0.011%；Ti：0.030%；余量为Fe；碳素废钢的化学成分为：C：0.16%；Si：0.23%；Mn：0.44%；S：0.02%；P：0.027%，余量为Fe；回炉料为同材质回炉料，化学成分为：C：3.20%；Si：1.90%；Mn：0.80%；P：0.03%；S：0.08%；Cu：0.60%；Cr：0.25%，余量为Fe；
第三步，铁液熔炼：将原料经400℃±10℃烘烤预热后加入中频感应电炉熔炼，原料熔清后加石墨增碳剂和75#硅铁，调整铁液的含碳量到3.25%、含硅量1.3%为止，铁液过热温度为1510℃，静置时间10 min，出铁温度为1490℃；
第四步，合金化处理：按铁液总重量的2.00%添加合金，合金种类及其添加量为Mn：1.00%，Cu：0.70%，Cr：0.30%，合金均为粒度2~10mm的颗粒状，经400℃±10℃烘烤预热后在铁液出炉倒入浇包时随流加入；
第五步，强化孕育：按铁液总重量的0.2%称取SiFe75孕育剂（其中的Si含量为70~80%），按铁液总重量的0.4%称取3~8mm的大粒度高钙钡孕育剂、按铁液总重量的0.1%称取0.2~0.7mm的小粒度高钙钡孕育剂， 400℃±10℃烘烤预热后将SiFe75用于包底孕育、大粒度的高钙钡孕育剂用于出铁槽孕育、小粒度的高钙钡孕育剂在浇注时通过随流孕育机随流加入,其中高钙钡孕育剂的成分为Si：72~78%；Ca：1.0~2.0%；Ba：2.0~3.0%；Al：<1.5%，余量为Fe；
第六步，浇注：浇注温度为1340℃，浇注结束后，在冒口的铁液表面撒珍珠砂保温；
第七步，打箱清理：当铸件温度冷却至150℃时打箱，得到灰铸铁的金相组织和力学性能为：珠光体含量98%，A型石墨，石墨长度4~5级，渗碳体+磷共晶含量＜0.5%，抗拉强度320MPa，硬度HB212，弹性模量131GPa；
第八步，时效处理：采用阶梯式升温降温法热时效工艺对铸件进行消应力处理，得到铸件的最大残余应力为19.9MPa，达到牌号HT300灰铸铁的质量性能，同时具有高强度、高弹性模量和低应力的优异性能，可满足高档数控机床铸件的技术要求。