超重型机床球墨铸铁横梁件的生产.pdf

N o d u l a rI r o n a&G r a yI r o n s超重型机床球墨铸铁横梁件的生产任海成，赵进科，李善余(北一重型机械铸造股份有限公司，河北高碑店0 7 4 0 0 0)摘要：概述了重型机床铸件的发展趋势及特点。以外型尺寸1 49 0 0 x 211 0 x 21 4 5m m、蕈1 3 0t 的Q T 6 0 0 3 横梁铸件为例，分析了其铸造工艺特点和质量控制难点，详细介绍了包括冷铁设计及放置、反变形量确定、浇注系统设计以及球化处理和孕育处理等内容的铸造T 艺方案。检验结果表明：铸件本体球化率8 0 9 0，石器大小7 级和8 级，石墨球数1 3 0 个m m z；基体组织为片状珠光体+粗粒状珠光体+牛眼状铁索体；抗拉强度6 7 7M P a，平均硬度1 9 4H B，硬度差在6H B 以内；铸件变形量为1 95 0 0m m 长度 8m m。关键词：球墨铸铁；重型机床铸件；横梁中图分类号：T G 2 5 5文献标识码：B文章编号：1 0 0 3 8 3 4 5(2 0 1 0)0 4 0 0 2 4 0 6D O I：1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 3 8 3 4 5 2 0 1 0 0 4 0 0 2P r o d u c t i o no fN o d u l a rI r o nC r o s s b e a mo fS u p e r-h e a v yM a c h i n eT o o lR E NH a i-c h e n g，Z H A OJ i n-k e，L IS h a n-y u(B e i y iH e a v yM a c h i n e r yC a s t i n gC o L i d，G a o b e i d i a n0 7 4 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fc a s t i n g su s e df o rh e a v ym a c h i n et o o lw a ss u m m a r i z e d T a k i n gaQ T 6 0 0 3g r a d en o d u l a ri r o nc r o s s b e a mw i t hd i m e n s i o n so f1 49 0 0 x 21l O x 21 4 5m ma n dw e i g h to f13 0ta sa ne x a m p l e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a s t i n gm e t h o da n dd i f f i c u h i e so fq u a l i t yc o n t r o lo ft h ec a s t i n gw a sa n a l y z e d，a n di t sc a s t i n gm e t h o ds c h e m ew a sd e s c r i b e di nd e t a i li n c l u d i n gt h ec h i l l sd e s i g na n ds e t t i n g，d e t e r m i n a t i o no fi n v e r s ed e f o r m a t i o na m o u n t，g a t i n gs y s t e md e s i g n，n o d u l a r i z a t i o na n di n o c u l a t i o nt r e a t m e n te t c T h ei n s p e c t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en o d u l a r i t yo fc a s t i n gb o d yW a so f8 0 一9 0，g r a p h i t es i z e o f7 8c l a s s，n o d u l ec o u n t l3 0 m m 2，m a t r i xs t r u c t u r eW a sc o n s i s t e do ff l a k ep e a d i t e+c o a r s eg r a n u l a rp e a r l i t e+O Xe y e-s h a p e df e r r i t e t e n s i l es t r e n g t ho f6 7 7 M P a，a v e r a g eh a r d n e s so f1 9 4 H B。h a r d n e s sd i f f e r e n c eW a sl e s st h a n6H B，t h ed e f o r m a t i o na m o u n tw a s8m mi nt h ec a s t i n gl e n g t ho f1 95 0 0m m K e yw o r d s：n o d u l a rc a s ti r o n；c a s t i n g so fh e a v ym a c h i n et o o l；c r o s s b e a m随着核电设备、大型船舶、航空航天、矿IJJ 机械、铁路建设、汽车丁业、环保设备以及军工产品等行业的发展，重型、超霞型机床的需求快速增加，重型、超重型机床性能的数控化、高速化、高精度化、复合多功能化发展迅速l-1。笔者所在集团公司在跨国收购德国名牌厂商瓦德里希科堡之后，其数控龙门镗铣床产品大型化、多样化、复合化的发展更为迅速。双龙门复合数控铣、镗、车产品的订单与销售近年来激增明显，单台机床仅铸件就达6 0 0t 以上。重型机床的发展带来了对机床铸件的新需收稿日期：2 0 1 0-0 1 0 6修定日期：2 0 1 0 0 6 1 2作者简介：任海成(1 9 5 3 0 1 一)，男，汉族毕业于清华大学铸造专业，工程师现任北京第一机床(高碑店)铸造有限责任公司和北一重型机械铸造股份有限公司总经理。2 4 I 现代铸铁2 0 1 0 4求，其特点是：(1)机床铸件超季型化。以往机床铸件单件长度一般不超过1 0m，质鼍在2 0。5 0t 之间。而目前重型机床所需的铸件单件长度已达到2 0m，铸件单再也达到了1 3 0t 以上。(2)铸件的结构变得越来越复杂。例如，数控龙门镗铣床横梁，过去是由3 段连接而成，每段质量在4 0t 左右；数控龙门镗铣床左右立柱过去由前后两件组成。每件质量在5 0t 左右。而目前这些产品都已实现单件生产，所以萤型机床的大型化、复合化伴随而来的是铸件结构复杂程度的提高。(3)铸件强度要求提高。由于重型机床要实现高精度化，所以对铸件的强度要求越来越高。过去，H T 2 5 0、H T 3 0 0 牌号灰铸铁就能满足要求万方数据的铸件，而目前一般都要Q T 6 0 0 3 牌号来满足。以笔者公司为例，从2 0 0 9 年7 月1 日采用中频感应电炉试生产到2 0 0 9 年年底已累计生产8 0t 以上重型机床球墨铸铁件2 2 件，总质量达到20 0 0 多t，铸件轮廓尺寸等数据见表1 所示。表1北一重型铸造已浇注的2 2 件超重型球墨铸铁件T a b 1T h es u p e r-h e a v yn o d u l a ri r o nc a s t i n gp r o d u c e db yt h ea u t h o r 7 Sc o m p a n yi ns e c o n dh a l fo f2 0 0 9序号件号名称件数材料牌u 外形尺寸单蕈，l【g1重型球铁机床铸件的铸造特性重犁机床铸件的普遍特性是外型尺寸大、重量大，强度要求高，肇厚不均匀，易产生变形。下面以L E 9 0 10 l3 A 0 2 0 横梁为例说明其铸造特性。1 1主要参数及技术要求L E 9 0 1 0 1 3 A 0 2 0 为数控桥式双龙门镗铣床的固定横梁，其外型尺寸为1 49 0 0 x 211 0 21 4 5m m，材料牌号为Q T 6 0 0 3，铸件重量1 2 3t，铁液浇注量1 3 0t；导轨面硬度为1 9 0 2 2 0H B，硬度差在1 5m 之内不大于2 0H B；不允许有任何缩松、夹渣、气孑L、裂纹、硬度不均等铸造缺陷；弯曲N o d u l a rI r o n s&G r a yI r o n s变形量在1 5m l T l 以内，加工余量在2 5m m 以内。图l 为其外观形貌示意图。1 2 铸造特性及控制难点(1)铸件最大罐厚1 7 5m i l l，最小壁厚4 0m m。壁厚不均匀造成铸件凝|占1 不平衡，厚大部分容易产生缩松、缩孔等铸造缺陷。(2)铸件总长1 5m。因此，必须严格控制铸件凝同的温度场，否则容易产生挠曲变形。(3)球化处理铁液总量为l3 0t。防止球化不良和球化衰退是重要任务。(4)铸件材料牌号为Q T 6 0 0 3 牌号材料，而球铁的糊状凝固特性，使其石器化膨胀作用明显，故要求型、芯必须具备足够的强度，因而使型、芯退让性变差，致使铸造应力增大，容易产生变形，严重时铸件薄l 蓬部位会产生裂纹。(5)受浇注速度限制，金属液必须在极短时间内充满铸型，势必对型、芯冲刷力增大，容易使铸件产生粘砂、渗铁缺陷。(6)必须充分考虑芯撑的耐热强度和金属液浇注过程中产生的冲击，以避免芯撑脱落掉入导轨形成缺陷。(7)主要浇包容量为6 0t，容积大，扒渣困难，容易使铸件产生夹渣类缺陷。2 铸造工艺方案设计铸造工艺方案设计的总原则是平衡铸件凝同的温度场，使铸件凝同相对均匀 2 1。采用多点、分散、底注的方式使金属液快速、平稳地充满铸型；控制好反变形量，避免铸件因为应力变形而影响尺寸精度；在卜型局部厚大部位设置保温冒口，防止缩松、缩孔；采取措施平衡型、芯的强度和退让性，尽可能减小铸件的收缩应力；控制好型、芯的比气，避免铸件产生气孔、呛孑L；几种涂料多层混合涂刷，防止铸件出现粘砂；浇注过程中，采用避渣措施避免浇包中的熔渣进入型腔，使铸件产生夹渣缺陷。2 1使用冷铁平衡铸件凝固温度场机床铸件导轨部位以及与其它部件连接部位壁厚比较大，凝固速度慢，容易产生缩松、缩孔等铸造缺陷。为了获得组织致密、符合机床使用性能要求的铸件，对厚大部位采用冷铁激冷来平衡铸件凝固温度场，实现均衡凝同。2 0 1 0 4 现代铸铁2 5万方数据N o d u I a rI r O n s G r a yI r o n s本铸件共用不同规格冷铁72 3 0k g，其形状如图2 所示。2 1 2 反变形量设计就目前的技术发展水平，铸件凝同过程中的应力尚无法进行测定，因此，反变形量的大小也就不能进行准确的计算和设计。根据笔者和同内同行多年的生产实践经验，反变形量的设计应依照铸件的大小、结构，一般分为3 种情况，如图3所示1 3】o1 3 0t 横梁反变形量的设计采用的是第2 种方案。从实际结果来看，采用工艺给定的反变形量，最终铸件的变形量在5。7m m 以内。2 3 保温冒口按照平衡温度场尽力实现球墨铸铁无冒口或小胃口铸造的工艺设计原则，1 3 0t 横梁除采用常规的补缩冒口和出气冒口外，在铸件上部的厚大部位还使用了8 个保温冒口，以保证铸件凝固过程中的液态补缩需求。2 6I 现代铸铁2 0 1 0 4冒口设计应掌握的原则是：金属液在液态收缩完成，开始向同相转变的时刻，冒口的补缩通道就要封闭，以防止石墨化膨胀发生时，铸件中局部液相从冒口中溢出，从而实现球墨铸铁的自补缩J 3 J。2 4 浇注系统设计为了使金属液快速、平稳注入型腔，1 3 0t 金属液用2 个6 0t 和1 个2 0t 浇包分3 点注入浇口杯。内浇道设计在铸件底部导轨上4 个部位共2 4 个入口。金属液平稳充满铸型，减小了对型、芯的冲击和气体的裹人，有利于缩小铸型各部位的温差，减少铸件收缩应力，同时减小铸件变形量，防止铸件产生裂纹缺陷。浇注系统如图4 所示。2 5 型、芯强度与退让性对于壁厚比较均匀的球墨铸铁件，更确切地说是对于凝同温度场比较均衡的球墨铸铁件，实现无冒口铸造或者小冒口铸造是可行的。其前提条件是，保证金属液的球化处理效果良好；控制好出炉温度、球化处理温度以及浇注温度；进行充分的孕育处理，保证有足够的铸型刚度1 3 J。笔者公司采用呋喃自硬树脂砂生产，对于1 3 0t 横梁，型、芯均采用高强度控制，型芯强度原则上要0 8M P a。充分考虑到球铁较明显的石墨化膨胀和糊状凝同特性；在造型、制芯过程中，要充分均匀地舂实，保证型、芯有足够的紧实度以获得型、芯所需的刚度。砂芯退让性差会使凝同过程中产生的应力增大，容易导致铸件变形，严重时产生裂纹1 4 1。为了获得良好的退让性，对于比较大的砂芯，在其四周中心部位填充一些容易退让的填充物，如泡万方数据沫块、草袋、草绳等，得到了很好的效果。2 6 型、芯出气控制气孑L 是铸造缺陷中最常见的一种，而气孔的形成很大一部分是由型、芯排气不畅引起的。因此，砂芯内要用通气管做好通气道并通过铸型或上箱出气冒口加以引出，做N 丰I I E 气畅通1 4】。2 7 涂料为了防止浇注过程中金属液的冲刷对型、芯造成破坏，经过上百次-丁艺试验，我们采用了强度、耐火度、附着性能和涂刷性能都较好的醇基和水基涂料对型、芯进行多层混合涂刷，并充分烘干，保证涂刷均匀无积聚、无流挂。良好的涂料涂刷方法是抵御铁液冲刷，防止化学粘砂的重要措施【4 l。对铸件进行检查，外观质量光滑平整，几乎没有发现粘砂、多肉或缺肉等缺陷。2 8 挡渣措施金属液经过球化处理后会产生大量的熔渣，由于浇注包容积很大，所以在有限的时间内很难彻底扒渣。为了防止浇注过程中熔渣进入型腔造成夹渣缺陷，要在浇口杯中做挡渣处理，如图5所示。3 凝固过程模拟凝固过程模拟的目的主要是对凝固温度场进行分析，判断铸件凝固的均衡性，定量分析铸造缺陷产生的趋势，并对铸造工艺进行优化设湘。在具有运动导轨的机床铸件中，缩孑L、缩松是最常见的缺陷，其危害最大，也最难解决。所以，在设计1 3 0t 横梁铸件铸造工艺方案时，将其N o d u l a rI r o n s&G r a yI r o n s作为一个重点攻关项目，采用铸造凝固模拟软件对缩孑L、缩松产生的倾向和部位进行模拟，并根据模拟结果反复改进铸造工艺方案。在经过对冷铁和冒口做了部分调整之后，模拟结果显示，在合金条件和铸型条件相对较好的情况下，最终确定的铸造工艺方案可以有效地解决缩孔、缩松铸造缺陷。模拟结果如图6 所示。4 球化处理和孕育处理4-1熔炼及球化处理设备熔炼及球化处理设备为：2 0t 容量的60 0 0k W 中频感应熔化炉1 台，4 5t 容量的30 0 0k W一拖二中频保温炉2 台，1 5t h 两排大间距冷风冲天炉1 台；6 0t 和2 0t 球化处理包各2 个。4 2 球化处理工艺在工艺方案和工艺措施制定之后，球化处理就是最核心的环节。工艺确定为3 点浇注方案，必然要进行3 包处理。鉴于笔者公司的熔炼设备条件，在球化处理过程中重点控制以下几个环节：(1)球化处理方案。预设了3 个方案，分别是平底包冲入法、堤坝包冲入法和压入法，最终决定采用堤坝包冲人法。(2)球化剂选择。1 3 0t 的处理量，若采用常规的轻稀土球化剂是不能阻止球化衰退的，故采用的是含钇基重稀土的稀土镁球化剂，其主要成分(t 口B，)为：Y1 5 2 5，M g6 7，C a1 5 2 5，S i4 2 4 5，B a、B i、S b、适量。2 0 1 0 4 现代铸铁l2 7万方数据N o d u l a rI r o n s&G r a yI r o n s(3)原铁液主要化学成分(埘B)控制范围为：C3 4 5 3 5 5，S il 8 2 2，M n0 4 5 0 6，P 0 4 5，S 0 0 l，并适当选配合金元素。(4)球化处理温度选择。球化处理温度取决于球铁铸件的浇注温度，浇注温度控制在l3 3 0 l3 5 0o C，考虑其处理温度和时间的损失、处理包热容量的变化因素及球化处理总时间的控制，据此来制定球化处理的最终温度。原铁液过热温度宜在14 7 0 15 0 00 0 6 l。(5)球化处理总时间的选择。在球化处理方案确定之后，根据现场1：艺条件，选择最优的时间方案。从开始球化处理、一次和二次孕育处理、快速成分检查、球化率检查、浇样、扒渣、保温覆盖到浇注包最终在铸型浇注部位处于待浇注状态，总时间控制在2 5r a i n 之内；同时，要求三包同时处理，温度差在1 5 以内；球化处理炉前取样结果保证在2 3 级之内。三包处理专人专控，统一协调，T 艺纪律严明，每道工序一丝不苟，必须做到井然有序，忙而不乱。(6)补救方案和措施。对可能出现的球化不良、球化剂结死、球化剂漂浮等问题，必须备有及时有效的补救方案或措施。虽然，到目前为止，笔者尚未遇到卜述现象，但对生产超重型球铁件，备案是必要的。4 3 孕育处理工艺对球铁进行孕育处理，不仅能消除渗碳体和调整成分，更重要的是能增加石墨数量、改善和提高综合力学眭能f 7 l。为此，在孕育处理方面要注意：(1)孕育剂的选择。经过长期摸索试验，确定了三种孕育剂：T Y 一1 复合B a C a S i 长效孕育剂，规格l Om m；T Y 一1 复合S i B a c a 长效瞬时孕育剂，规格l 一2m m；普通7 5 S i F e 孕育剂，规格3。7m m。需要重视的是，孕育剂加(A 1)量要控制在1 7 以下。(2)孕育方法的选择。采用三次孕育方法，即包底孕育、出铁随流孕育和浇注随流瞬时孕育。5 铸件外观及理化检验结果5 1 外观及机)j n-r 情况铸件外观检验合格，直线度在5。7m 之内，2 8 l 现代铸铁2 0 1 0 4为l 级。通过加丁和探伤分析，铸件的组织非常致密，无缩孔、缩松缺陷，也无任何气孑L、裂纹、夹砂、夹渣、掉卡子、疏松等缺陷；铸件毛坯变形量：1 95 0 0m m 长度 8m m。加工后的横梁铸件见图7。5 2 楔型试块检验结果(1)石墨形态：呈团状和球状，极少量团絮状；球化率8 5 9 5，球化级别2 5 级，石墨球数1 3 0 个m m 2。见图8(a)。(2)基体组织：8 0 9 0 为(细片状+少量片状+极少量粗片状)球光体，其余为牛眼状和少量小块状铁素体。见图8(b)。(3)力学性能：抗拉强度8 0 0M P a，试块硬度2 7 7H B，伸长率4 8 8。(4)主要化学成分(w d)：C3 4 9，S i1 9 9，M n0 5 3，P0 4 6，S0 0 0 8，M g0 0 5 6。5 3 铸件本体检验结果(1)石墨形态：球化率8 0 9 0，球化级别2 5 级，石墨大小7 级和8 级，石墨球数1 3 0 仰m m 2 0(2)基体组织：片状珠光体+粗粒状珠光体+牛眼状铁素体。(3)力学性能：抗拉强度6 7 7M P a；硬度1 8 9 2 0 1H B，平均硬度1 9 4H B，硬度差在6H B 以内(见图9)。6总结超重型球铁铸件铸造工艺有其特殊性，必须采用相应的措施来加以保证。对于百吨级超重型球铁机床铸件，我们的经验总结如下：(1)百吨级球铁件制造成本很高，谁都废不万方数据N o d u l a rI r o n s&G r a yI r o n s起，因而应将其整个生产过程视为个十分缜密的系统工程，科学设置每个T 序，并做到工序间环环相扣。由于T 艺操作的特殊性，还应该特别注重细节管理，做到百密而不可一疏。(2)对于长度超过1 5m 的铸件，铸造工艺设计中，反变形设计、温度场的平衡分布、浇注系统避渣设计是重点。(3)球化处理是整个铸造过程的重中之重。首先是球化处理方案的制定，要综合考虑6 0t 处理包球化反应死区、球化剂结死或漂浮、球化反应时间和速度、球化衰退和球化剂类型等问题。另外，球化剂加入量、粒度、合金反应层厚度的选择亦非常重要。(4)为保证导轨在1 5，2 0m 长度内硬度的均匀性，化学成分的一致性就显得特别重要。当目标成分确定之后，三包原铁液化学成分必须一致或十分接近目标成分。其次，球化处理时M g 的吸收率要相对一致，埘(M g 残)应控制在0 0 4 5。0 0 5 5，彬(R E 残)要低于0 0 1。另外，珠光体型球铁的w(C)量不宜过高，原则在3 5 5 以下；彬(S i)量原则上要控制在1 9。2 1；叫(S)量最好达到双零，似(P)量在0 0 4 以下。(5)要根据铸件的结构特点，采取有利于石墨化、提高球化率、细化基体组织、稳定和提高珠光体体积分数的合金化措施。(6)铸型刚度、型芯强度、复合涂料的选择与涂刷也非常重要。(7)此类铸件一般只能用地坑来浇注生产，上型压载就十分重要。压载要根据铁液的浮力计算，压载载荷是计算浮力的8 倍以上二；另外，分型负数越小越好，防止浇注时分型面泄漏。(8)以减小铸件内应力和变形为原则，打箱时间一般在4 0 0h 以上，开箱温度要低于2 5 0，冷却速度小于2 5o C h。参考文献【1 1 马敬仲重型和超重型机床铸件的生产与材料选择【A】大型铸铁件铸造生产技术研讨会论文集【c】，浙江宁波，现代铸铁编辑部2 0 0 9 3：7 11【2 1 中国机械丁程学会铸造分会铸造手册铸造工艺 M I，北京：机械工业出版社，2 0 0 7【3】李魁盛，侯福生，铸造工艺学【M】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 6【4】陈国桢，肖柯则，姜不居铸件缺陷和对策手册【M】一E 京：机械工业出版社，2 0 0 7【5 1 周建新，廖敦明，刘瑞祥，等铸造C A D C A E M I 北京：化学工业出版社，2 0 0 9 8【6】中国机械工程学会铸造分会铸造手册铸铁 M I 北京：机械工业 H 版社，2 0 0 6【7】吴德海，钱立瑚家骢灰铸铁、球墨铸铁及其熔炼 M】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 6 嘲(编辑：袁亚娟，E-m a i l：x d z t y y j 1 2 6 c o r n)2 0 1 0 4 现代铸铁f2 9万方数据超重型机床球墨铸铁横梁件的生产超重型机床球墨铸铁横梁件的生产作者：任海成，赵进科，李善余，REN Hai-cheng，ZHAO Jin-ke，LI Shan-yu作者单位：北一重型机械铸造股份有限公司,河北,高碑店,074000刊名：现代铸铁英文刊名：MODERN CAST IRON年，卷(期)：2010,30(4)被引用次数：1次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.马敬仲 重型和超重型机床铸件的生产与材料选择会议论文 20092.中国机械工程学会铸造专业学会 铸造手册铸造工艺 20073.李魁盛;侯福生 铸造工艺学 20064.陈国桢;肖柯则;姜不居 铸件缺陷和对策手册 20075.周建新;廖敦明;刘瑞祥 铸造CAD/CAE 20096.中国机械工程学会铸造专业学会 铸造手册铸铁 20067.吴德海;钱立;胡家骢 灰铸铁、球墨铸铁及其熔炼 2006 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.周德钢.ZHOU De-gang 用V法造型工艺生产机床铸件期刊论文-现代铸铁2009(2)2.熊六一.冯景兰.XIONG Liu-yi.FENG Jing-lan 运用均衡凝固理论解决机床工作台缩松缺陷期刊论文-铸造技术2006,27(4)3.韩杰 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