高強度高彈性模量低應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床鑄件的高強度高彈性模量低應力灰鑄鐵，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)控機床逐漸往高精度、強力切削、高速切削、大型化、薄壁化等方面的不斷發(fā)展，要求機床鑄件的材質(zhì)需要具有高強度、高剛度、低應力與高的精度保持性。目前機床鑄件大部分為灰鑄鐵，國內(nèi)外實踐證明，高碳當量、高強度灰鑄鐵是灰鑄鐵的發(fā)展方向，它是灰鑄鐵在高強度下獲得“低的鑄造應力、良好的加工性能、良好的鑄造性能”的重要途徑，是這三方面達到綜合平衡的重要措施。
[0003]據(jù)調(diào)查，國內(nèi)大部分機床鑄件生產(chǎn)廠家皆以較大幅度地降低碳當量來達到高強度，因此，在生產(chǎn)HT300時，因收縮的增加導致的縮松、因鑄造應力的增加引起的變形、因硬度的增加導致的加工性能惡化是生產(chǎn)高牌號機床鑄件經(jīng)常發(fā)生的問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)有81%的企業(yè)認為機床鑄件高強度、高剛度與低應力的矛盾是技術(shù)難題。
[0004]現(xiàn)有的灰鑄鐵生產(chǎn)方法中，通過添加適量的Cu、Sn、Sb、Cr等合金元素來細化共晶團、強化基體而得到抗拉強度多300MPa的灰鑄鐵，但此種生產(chǎn)方法存在以下問題:1、難以同時達到高強度和高彈性模量兩個指標，當抗拉強度多300MPa時，鑄件的彈性模量一般為100~115GPa，處于較低的水平，并且國內(nèi)在鑄件生產(chǎn)中幾乎都沒有控制彈性模量這項性能指標；2、孕育處理方法比較粗放，孕育劑多大量采用75#硅鐵，只進行包內(nèi)孕育和浮硅孕育，孕育劑吸收率低，孕育不到位，孕育效果檢驗欠缺、孕育衰退難以防止；3、不測量鑄件的殘余應力，也沒有將殘余應力作為控制指標，鑄件的殘余應力變化幅度大(為50~250MPa)；4、不進行熱時效處理，或者熱時效時的退火溫度、升降溫速度、保溫時間等工藝參數(shù)均不按規(guī)范進行，導致鑄件的殘余應力不降反升，嚴重的導致鑄件變形甚至開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種技術(shù)指標可滿足高檔數(shù)控機床鑄件要求的高強度高彈性模量低應力灰鑄鐵，本發(fā)明還提供該灰鑄鐵的制造方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案:
本發(fā)明所述的高強度高彈性模量低應力灰鑄鐵的成分組成為(按質(zhì)量百分比計):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)明所述的高強度高彈性模量低應力灰鑄鐵的制造方法包括下述步驟:
第一步，造型、制芯:
采用樹脂砂造型、制芯，型腔表面涂刷醇基石墨涂料，重要部位應刷兩次，刷涂料時要求表面光潔、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%之重量百分比稱取原料，其中:所用高純生鐵的化學成分為: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烘烤預熱后加入中頻感應電爐熔煉，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，鐵液過熱溫度為1510~1540°C，靜置時間 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烘烤預熱后在鐵液出爐倒入澆包時隨流加入；
第五步，強化孕育:
采用“包底孕育+出鐵槽孕育+隨流孕育”相結(jié)合的復合強化孕育方式，按鐵液總重量的0.2%稱取SiFe75孕育劑，按鐵液總重量的0.3-0.4%稱取3~8mm的大粒度高鈣鋇孕育劑，按鐵液總重量的0.1%稱取0.2-0.7mm的小粒度高鈣鋇孕育劑，400°C 土 10°C烘烤預熱后，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通過隨流孕育機隨流加入；
第六步，澆注:
當鐵液溫度降至1340~1360°C時進行澆注，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:
當鑄件溫度冷卻至280 °C以下時打箱，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，石墨長度4~5級，滲碳體+磷共晶含量< 0.5% ；
第八步，時效處理:
采用階梯式升溫降溫法熱時效工藝對鑄件進行消應力處理，使所得鑄件的內(nèi)應力彡 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時各保溫I小時)、保溫時間6h(根據(jù)鑄件壁厚而定，以Ih燒透25mm計)；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)，降溫至室溫出爐；爐溫溫差保持在±5。。。
[0011]在本發(fā)明中，通過“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，同時由于熔煉過程中有碳層的保護，鐵液的氧化傾向減小，達到了凈化鐵液的作用；通過加入高質(zhì)量的石墨增碳劑提高碳含量，將碳當量穩(wěn)定在較高的水平(3.75-3.90%)，可改善鐵液的流動性，使石墨細小、均勻、品質(zhì)好，并且較高的碳當量有利于減小鑄件的內(nèi)應力；通過Cu-Mn-Cr復合合金化處理能顯著提高珠光體含量、強化基體，顯著提高抗拉強度、硬度，同時提高彈性模量，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隨流沖入，改變了原有工藝中的合金通常是在熔煉過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間過長而燒損；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)合的復合強化孕育方式，通過隨流孕育機精確加入孕育劑，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)應力；采用“階梯式升溫降溫法”熱時效工藝，提高退火溫度、增加保溫階段和保溫時間、減緩升降溫速度，既能防止鑄件因溫度的劇烈變化而發(fā)生變形甚至開裂，又有利于更好的消除殘余應力，可使鑄件的殘余應力降到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+復合合金化+精確加入”，其技術(shù)措施為“高碳當量+復合合金化+強化孕育+低溫打箱+階梯式升溫降溫法熱時效處理”，所得到的灰鑄鐵的顯微組織為:珠光體含量多95%，A型石墨，石墨長度4~5級；力學性能為:抗拉強度彡300MPa，硬度HB190~220，同時彈性模量彡120GPa，內(nèi)應力彡20MPa ;在高碳當量下同時具有高強度、高彈性模量和低應力的優(yōu)異性能，能夠達到牌號HT300灰鑄鐵的質(zhì)量標準，滿足了高檔數(shù)控機床鑄件的技術(shù)要求。
【附圖說明】
[0013]圖1是實施例1制造的灰鑄鐵的石墨圖片。
[0014]圖2是實施例1制造的灰鑄鐵的基體圖片。
[0015]圖3是實施例1制造的灰鑄鐵的熱時效工藝曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]實施例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:采用樹脂砂造型、制芯，型腔表面涂刷醇基石墨涂料，重要部位應刷兩次，刷涂料時要求表面光潔、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%”之重量百分比稱取原料，其中:高純生鐵的化學成分為: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°