高強(qiáng)度高彈性模量低應(yīng)力灰鑄鐵及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及灰鑄鐵,尤其是涉及一種適合制造機(jī)床鑄件的高強(qiáng)度高彈性模量低應(yīng)力灰鑄鐵,本發(fā)明還涉及該灰鑄鐵的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著數(shù)控機(jī)床逐漸往高精度、強(qiáng)力切削、高速切削、大型化、薄壁化等方面的不斷發(fā)展,要求機(jī)床鑄件的材質(zhì)需要具有高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力與高的精度保持性。目前機(jī)床鑄件大部分為灰鑄鐵,國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明,高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄鐵是灰鑄鐵的發(fā)展方向,它是灰鑄鐵在高強(qiáng)度下獲得“低的鑄造應(yīng)力、良好的加工性能、良好的鑄造性能”的重要途徑,是這三方面達(dá)到綜合平衡的重要措施。
[0003]據(jù)調(diào)查,國(guó)內(nèi)大部分機(jī)床鑄件生產(chǎn)廠家皆以較大幅度地降低碳當(dāng)量來(lái)達(dá)到高強(qiáng)度,因此,在生產(chǎn)HT300時(shí),因收縮的增加導(dǎo)致的縮松、因鑄造應(yīng)力的增加引起的變形、因硬度的增加導(dǎo)致的加工性能惡化是生產(chǎn)高牌號(hào)機(jī)床鑄件經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)有81%的企業(yè)認(rèn)為機(jī)床鑄件高強(qiáng)度、高剛度與低應(yīng)力的矛盾是技術(shù)難題。
[0004]現(xiàn)有的灰鑄鐵生產(chǎn)方法中,通過(guò)添加適量的Cu、Sn、Sb、Cr等合金元素來(lái)細(xì)化共晶團(tuán)、強(qiáng)化基體而得到抗拉強(qiáng)度多300MPa的灰鑄鐵,但此種生產(chǎn)方法存在以下問(wèn)題:1、難以同時(shí)達(dá)到高強(qiáng)度和高彈性模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo),當(dāng)抗拉強(qiáng)度多300MPa時(shí),鑄件的彈性模量一般為100~115GPa,處于較低的水平,并且國(guó)內(nèi)在鑄件生產(chǎn)中幾乎都沒(méi)有控制彈性模量這項(xiàng)性能指標(biāo);2、孕育處理方法比較粗放,孕育劑多大量采用75#硅鐵,只進(jìn)行包內(nèi)孕育和浮硅孕育,孕育劑吸收率低,孕育不到位,孕育效果檢驗(yàn)欠缺、孕育衰退難以防止;3、不測(cè)量鑄件的殘余應(yīng)力,也沒(méi)有將殘余應(yīng)力作為控制指標(biāo),鑄件的殘余應(yīng)力變化幅度大(為50~250MPa);4、不進(jìn)行熱時(shí)效處理,或者熱時(shí)效時(shí)的退火溫度、升降溫速度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)均不按規(guī)范進(jìn)行,導(dǎo)致鑄件的殘余應(yīng)力不降反升,嚴(yán)重的導(dǎo)致鑄件變形甚至開(kāi)裂。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種技術(shù)指標(biāo)可滿足高檔數(shù)控機(jī)床鑄件要求的高強(qiáng)度高彈性模量低應(yīng)力灰鑄鐵,本發(fā)明還提供該灰鑄鐵的制造方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案:
本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高彈性模量低應(yīng)力灰鑄鐵的成分組成為(按質(zhì)量百分比計(jì)):C:3.15-3.25% ;S1:1.80-2.00% ;CE:3.75-3.90% ;Mn:0.70-1.00% ;P:彡 0.07% ;S:0.06-0.10% ;Cu:0.50-0.70% ;Cr:0.20-0.30%,余量為 Fe。
[0007]本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高彈性模量低應(yīng)力灰鑄鐵的制造方法包括下述步驟:
第一步,造型、制芯:
采用樹(shù)脂砂造型、制芯,型腔表面涂刷醇基石墨涂料,重要部位應(yīng)刷兩次,刷涂料時(shí)要求表面光潔、棱角清晰;在厚大部位放置冷鐵,冷鐵使用面要求平整,沒(méi)有油污、氣孔、銹蝕、缺損等缺陷; 第二步,原料配制:
配料原則是“高廢鋼配比+增碳”,按優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼:高純生鐵:回爐料=60~70%:5~10%:20~35%之重量百分比稱(chēng)取原料,其中:所用高純生鐵的化學(xué)成分為:C:4.61% ;Si:0.62% ;Mn:0.08% ;S:0.026% ;P:0.011% ;T1:0.030%,余量為 Fe ;所用優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼的化學(xué)成分為:C:0.16% ;Si:0.23% ;Mn:0.44% ;S:0.02% ;P:0.027%,余量為 Fe ;所述回爐料為同材質(zhì)回爐料,化學(xué)成分為:C:3.20% ;Si:1.90% ;Mn:0.80% ;P:0.03% ;S:0.08% ;Cu:0.60% ;Cr:0.25%,余量為 Fe ;
第三步,鐵液熔煉:
將原料經(jīng)400°C ±10°C烘烤預(yù)熱后加入中頻感應(yīng)電爐熔煉,原料熔清后添加石墨增碳劑和75#硅鐵,調(diào)整鐵液含碳量到3.15-3.25%、含硅量到1.1-1.3%為止,鐵液過(guò)熱溫度為1510~1540°C,靜置時(shí)間 8-10 min,出鐵溫度為 1480~1510°C ;
第四步,合金化處理:
按鐵液總重量的1.40-2.00%添加顆粒狀合金,合金種類(lèi)及其添加量為Mn:0.70-1.00%,Cu:0.50-0.70%,Cr:0.20-0.30%,經(jīng) 400°C ± 10°C烘烤預(yù)熱后在鐵液出爐倒入澆包時(shí)隨流加入;
第五步,強(qiáng)化孕育:
采用“包底孕育+出鐵槽孕育+隨流孕育”相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化孕育方式,按鐵液總重量的0.2%稱(chēng)取SiFe75孕育劑,按鐵液總重量的0.3-0.4%稱(chēng)取3~8mm的大粒度高鈣鋇孕育劑,按鐵液總重量的0.1%稱(chēng)取0.2-0.7mm的小粒度高鈣鋇孕育劑,400°C 土 10°C烘烤預(yù)熱后,將SiFe75孕育劑用于包底孕育、大粒度高鈣鋇孕育劑用于出鐵槽孕育、小粒度高鈣鋇孕育劑在澆注時(shí)通過(guò)隨流孕育機(jī)隨流加入;
第六步,澆注:
當(dāng)鐵液溫度降至1340~1360°C時(shí)進(jìn)行澆注,澆注結(jié)束后,在冒口的鐵液表面撒珍珠砂保溫;
第七步,打箱清理:
當(dāng)鑄件溫度冷卻至280 °C以下時(shí)打箱,即可得到成分組成為C:3.15-3.25%;Si:1.80-2.00% ;CE:3.75-3.90% ;Mn:0.70-1.00% ;P:彡 0.07% ;S:0.06-0.10% ;Cu:0.50-0.70% ;Cr:0.20-0.30%的灰鑄鐵,該灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度彡300 MPa,硬度HB 190-220,彈性模量多120 GPa,珠光體含量多95%,A型石墨,石墨長(zhǎng)度4~5級(jí),滲碳體+磷共晶含量< 0.5% ;
第八步,時(shí)效處理:
采用階梯式升溫降溫法熱時(shí)效工藝對(duì)鑄件進(jìn)行消應(yīng)力處理,使所得鑄件的內(nèi)應(yīng)力彡 20MPa。
[0008]上述第四步中顆粒狀合金的粒度為2~10mm。
[0009]上述第五步中高鈣鋇孕育劑的成分為S1:72-78% ;Ca:1.0-2.0% ;Ba:2.0-3.0% ;Al:<1.5%,余量為Fe ;SiFe75孕育劑中的Si含量為70-80%ο
[0010]上述第八步中的階梯式升溫降溫法熱時(shí)效的工藝參數(shù)為:裝爐溫度小于100°C;退火溫度600°C、升溫速度50~60°C /h (升溫到200°C、400°C時(shí)各保溫I小時(shí))、保溫時(shí)間6h(根據(jù)鑄件壁厚而定,以Ih燒透25mm計(jì));電腦控制降溫,降溫速度25°C /h,每降50°C保溫一次、每次保溫2~3h (視鑄件壁厚而定,以Ih燒透25mm計(jì)),降溫至室溫出爐;爐溫溫差保持在±5。。。
[0011]在本發(fā)明中,通過(guò)“高廢鋼配比+增碳“的工藝,將廢鋼加入量從現(xiàn)有的45~50%提高到60~70%,既能有效降低有害微量元素,又能顯著提高形核能力、減小收縮和白口傾向,同時(shí)由于熔煉過(guò)程中有碳層的保護(hù),鐵液的氧化傾向減小,達(dá)到了凈化鐵液的作用;通過(guò)加入高質(zhì)量的石墨增碳劑提高碳含量,將碳當(dāng)量穩(wěn)定在較高的水平(3.75-3.90%),可改善鐵液的流動(dòng)性,使石墨細(xì)小、均勻、品質(zhì)好,并且較高的碳當(dāng)量有利于減小鑄件的內(nèi)應(yīng)力;通過(guò)Cu-Mn-Cr復(fù)合合金化處理能顯著提高珠光體含量、強(qiáng)化基體,顯著提高抗拉強(qiáng)度、硬度,同時(shí)提高彈性模量,以提高鑄鐵的材質(zhì)剛度;本發(fā)明制造方法中的合金是以粒狀的形式在鐵液出爐時(shí)隨流沖入,改變了原有工藝中的合金通常是在熔煉過(guò)程中以大塊狀加入爐中,加入量更精確,有利于合金元素的快速、充分吸收及在鐵液中的均勻分散,提高組織均勻性,并避免合金在高溫鐵液中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而燒損;選擇不同粒度的孕育劑,采用包底孕育、出鐵槽孕育與隨流孕育相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化孕育方式,通過(guò)隨流孕育機(jī)精確加入孕育劑,以保證良好的孕育效果,有利于提高彈性模量、提高組織均勻性;打箱溫度從現(xiàn)有的500~590°C降到280°C以下,有利于減小鑄件的鑄造內(nèi)應(yīng)力;采用“階梯式升溫降溫法”熱時(shí)效工藝,提高退火溫度、增加保溫階段和保溫時(shí)間、減緩升降溫速度,既能防止鑄件因溫度的劇烈變化而發(fā)生變形甚至開(kāi)裂,又有利于更好的消除殘余應(yīng)力,可使鑄件的殘余應(yīng)力降到20MPa以下。
[0012]本發(fā)明制造方法的特色是“高溫純凈的基鐵鐵液+復(fù)合合金化+精確加入”,其技術(shù)措施為“高碳當(dāng)量+復(fù)合合金化+強(qiáng)化孕育+低溫打箱+階梯式升溫降溫法熱時(shí)效處理”,所得到的灰鑄鐵的顯微組織為:珠光體含量多95%,A型石墨,石墨長(zhǎng)度4~5級(jí);力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度彡300MPa,硬度HB190~220,同時(shí)彈性模量彡120GPa,內(nèi)應(yīng)力彡20MPa ;在高碳當(dāng)量下同時(shí)具有高強(qiáng)度、高彈性模量和低應(yīng)力的優(yōu)異性能,能夠達(dá)到牌號(hào)HT300灰鑄鐵的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),滿足了高檔數(shù)控機(jī)床鑄件的技術(shù)要求。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是實(shí)施例1制造的灰鑄鐵的石墨圖片。
[0014]圖2是實(shí)施例1制造的灰鑄鐵的基體圖片。
[0015]圖3是實(shí)施例1制造的灰鑄鐵的熱時(shí)效工藝曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
制造成分組成為 C:3.15% ;Si:1.80% ;CE:3.75% ;Mn:0.80% ;P ( 0.07% ;S:0.06% ;Cu:
0.50% ;Cr:0.20% ;余量為Fe的灰鑄鐵:
第一步,造型、制芯:采用樹(shù)脂砂造型、制芯,型腔表面涂刷醇基石墨涂料,重要部位應(yīng)刷兩次,刷涂料時(shí)要求表面光潔、棱角清晰;在厚大部位放置冷鐵,冷鐵使用面要求平整,沒(méi)有油污、氣孔、銹蝕、缺損等缺陷;
第二步,原料配制:按“碳素廢鋼:高純生鐵:回爐料=60%:5%:35%”之重量百分比稱(chēng)取原料,其中:高純生鐵的化學(xué)成分為:C:4.61% ;Si:0.62% ;Mn:0.08% ;S:0.026% ;P:0.011% ;T1:0.030%,余量為 Fe ;碳素廢鋼的化學(xué)成分為:C:0.16% ;S1:0.23% ;Mn:0.44% ;S:0.02% ;P:0.027%,余量為Fe ;回爐料為同材質(zhì)回爐料,化學(xué)成分為:C:3.20% ;S1:1.90% ;Mn:0.80% ;P:0.03% ;S:0.08% ;Cu:0.60% ;Cr:0.25%,余量為 Fe ;
第三步,鐵液熔煉:將原料經(jīng)400°