HT300机床铸件生产工艺改进.pdf

322023 年第 S2 期工艺试验与应用HT300 机床铸件生产工艺改进机床铸件（如：床身、立柱、滑鞍、工作台等）是机床的基体，占机床自身体重的 80%以上，其稳定性、耐磨性、减震性以及刚度等性能指标，对机床整体性能有着直接的影响。目前机床铸件主要有两种材质，即灰铁铸件和球墨铸铁铸件，球墨铸铁铸件应用较少，仅在个别机型上使用，大多数还是使用灰铸铁材质作为机床铸件的材质进行生产。高端机床铸件应有较高的抗压和抗拉强度，高的弹性模量即高刚度，低应力、不变形，良好的耐磨性和减震性，较高的尺寸精度和表面光洁度等。高强度、高刚度和低应力是相互制约的，前者通常需要低的 CE，后者则需要高的 CE，矛盾需要统一，即如何在高碳当量下获得高强度和高刚度，是生产中要解决和控制的问题。1原铸造工艺1.1化学成分为满足机床铸件的高强度，通常的做法是选择较低CE 进行生产，低 CE 可以扩大奥氏体生长区间，促进奥氏体增长和枝晶细化，提高强度。HT300 铸件 CE 控制在 3.60%3.70%，为满足铸件本体硬度，有时添加微量的 Sn 和 Sb 进行合金化处理、有效地增加和细化珠光体，表 1 是化学成分要求。表 1 铁液的化学成分（质量分数，）Tab.1 Chemical composition of liquid iron(mass fraction,%)CECSiMn3.63.73.03.11.61.70.81.0PSSbSn 0.050.060.10.020.030.020.031.2熔炼工艺采用 2 t 中频感应电炉熔炼，为降低生铁遗传因素对铸件材质的影响，控制生铁加入量，利用废钢增碳、增硅工艺进行合成铸铁熔炼。原材料及炉料配比如下：废钢采用优质普通碳素钢，加入量 60%70%；同材质回炉料：加入量 20%30%；为便于现场管理生产现场全部采用 Q10 生铁，加入量 10%。采用碳化硅作为增硅增碳材料，加入量为 1.0%1.5%，碳化硅含量选择在90%以上，粒度控制在 29 mm。采用中温石墨化增碳剂增碳，增碳剂中（S）控制在 0.25%，（N）控制在 1 000 ppm，加入量 1.5%2.0%。碳化硅与增碳剂分批次随炉料加入到熔炉中，铁液温度达到 1 450 时取样做碳硅分析仪与光谱成分检测，成分调整至原铁液合格成分后进行升温，温度升至1 4801 500 时断电，在炉内高温静置 35 min 后出铁孕育，孕育剂选择硅钙钡长效孕育剂，孕育方式采用两次孕育处理。一次出炉孕育采用漏斗随液流流入方式，加入量 0.4%，粒度 38 mm；二次浇注随流孕育采用漏斗随液流流入，加入量 0.05%0.1%，粒度 0.20.7 mm，孕育工艺见下图 1 所示。徐清军，靳存文，邢贝贝，张新霞，张学魁（河南省金太阳精密铸业股份有限公司，河南 新乡 453000）摘要：介绍了 HT300 机床铸件的铸造工艺，针对铸件存在的裂纹、缩松等缺陷，通过提高铸件的CE、加入适量的合金元素 Cu、Sn 进行微合金化，以达到改善基体组织，细化晶粒，提高铸件的强度、硬度组织均匀性以及尺寸精度稳定性的目的，并获得合格铸件。关键词：HT300；机床铸件；微合金化中图分类号：TG251文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）S2 0032 04收稿日期：2023-08-28修定日期：2023-09-11作者简介：徐清军（1985-），男，河南新乡人，毕业于河南机电高等专科学校，工程师，主要从事铸铁件材质研究、铸造工艺设计等工作，E-mail:。2023 年第 S2 期工艺试验与应用33 （a）一次出炉孕育 （b）二次浇注随流孕育图 1 孕育处理Fig.1 Inoculation treatment采用硅钙钡长效孕育剂孕育，主要是利用 Ba 元素较强的促进石墨形核的能力，抗衰退能力强，用于灰铸铁可以改善石墨形态，减小白口倾向，保证所需的组织和力学性能。浇注时做二次随流孕育，主要是保证在高的铁液纯净度下有足够的石墨形核质点，孕育滞后，可以有效防止孕育衰退，这样才能保证材质性能和组织满足产品的技术要求。2铸件性能与存在的问题2.1铸件性能通过对单一型号床身铸件的 100 组数据进行统计分析，浇注的产品 CE 基本控制在 3.6%3.7%，平均值为3.635%；（C）3.05%3.10%，平均值为 3.077%；（Si）1.60%1.70%，平均值为 1.652%，图 2 为各元素含量的控制图。（a）CE 控制图（b）（C）控制图（c）（Si）控制图图 2 主要元素含量控制图Fig.2 Main element content control chart单铸试棒的抗拉强度都在要求的 300 MPa 以上，最大值达到 400 MPa，平均值为 364 MPa，图 3 为实测试棒的抗拉强度控制图。图 3 试棒的抗拉强度控制图Fig.3 Tensile strength control chart of test rod通过对试棒金相的检测，A 型石墨达到 90%以上，珠光体含量在 98%以上，石墨长度为 34 级，如图 4金相组织所示。（a）石墨形态（100）（b）基体组织（100）图 4 金相组织Fig.4 Metallographic structure2.2存在的质量问题（1）床身铸件线收缩率大，内腔筋板裂纹通过对铸件本体跟踪检查，发现铸件粗抛后在内腔筋板连接处有多处裂纹缺陷，特别是在靠近导轨的内腔位置，裂纹缺陷比较明显，裂纹缺陷占比达到10%左右。如图 5 所示，根据铸件裂纹缺陷的判断可能是铸件结构不均匀，凝固速度快慢不一，筋板位置较薄，凝固速度快，导轨部位厚大，凝固速度慢，后期凝固时产生内应力过大，导致出现裂纹缺陷。测量铸件线收缩率，达到1.4%，远远高于正常的 1.0%1.2%。图 5 床身铸件内腔裂纹缺陷Fig.5 Crack defect in the inner cavity of the casting（2）工作台铸件 T 型槽内缩松工作台铸件大平面及 T 型槽内不允许有任何铸造缺陷。经过客户加工反馈在 T 型槽底部出现了类似缩342023 年第 S2 期工艺试验与应用松、夹渣的缺陷，造成铸件报废，如图 6 所示。经分析：缺陷形状不规则，深度不一，有空洞，内部无其他杂质，判定是典型的缩松缺陷。图 7 是使用电镜扫描缺陷的结果。经过电镜扫描以及能谱分析发现：缺陷成分单一，只有少量的氧化铁和石墨，也没有发现缺陷周围存在贫碳区，说明不是气孔缺陷，同时又结合产品结构，出现缺陷的位置是在厚大区域内，热节部位，最终判定为缩松。图 6 T 型槽内缩松缺陷Fig.6 Shrinkagedefect in T-slot图 7 SEM 电镜扫描检测Fig.7 SEM detection（3）床身铸件硬度不均，影响加工性能加工过程中，铸件加工到边缘部位时蹦角现象比较明显，在铸件边缘及搭子等部位打孔攻丝时容易将钻头折断。综合分析，认为是 CE 低造成的，特别是在合成铸铁熔炼时，CE 选择偏低会导致铸件收缩倾向大、应力增大，厚大部位也会出现缩松缺陷。厚大部位在加工时表现不明显，但在边缘位置会出现白口，造成打刀现象。为此，碳当量提高到3.8%左右，减小铁液收缩倾向，同时采用合金复合的相互作用，细化基体组织，提高材质整体性能，硬度均匀性也能提高。3工艺优化CE 高低与抗拉强度与硬度的关系是成反比，CE 提高，抗拉强度与硬度会下降，需要进行合金化处理，才能保证材质性能合格，另外抗拉强度并不是越高越好，试棒的抗拉强度控制在 300350 MPa 最好，性能最优，残余应力最小。因此综合考虑后将 CE 控制在3.75%3.85%，合金元素采用 Cu 和 Sn 进行处理，Cu能减小铸铁断面的敏感性，改善石墨形态，促进珠光体的形成，并细化珠光体，采用两种合金元素的处理要比单一元素的处理作用要强，因此将 Cu+10Sn 控制在小于 0.8%以内。具体成分控制见表 2。表 2 铁液的化学成分（质量分数，）Tab.2 Chemical composition of liquid iron(mass fraction,%)CECSiMn3.753.853.153.251.651.750.80.9PSCuSn 0.050.060.10.40.50.020.03为进一步提高铁液的纯净度、细化石墨和基体组织，减少炉料遗传带来的副作用，将熔炼温度提高到1 5001 520，高温静置 5 min 后出炉，其余熔炼参数不变。4生产验证成分调整后，对单一型号床身铸件的 100 组数据进行统计分析，浇注的产品 CE 基本控制在 3.7%3.8%，平均值为 3.768%。（C）在 3.15%3.25%，平均值为3.189%。（Si）在 1.65%1.75%，平均值为 1.711%，控制图如图 8 所示。（a）CE 控制图（b）（C）控制图（c）（Si）控制图图 8 元素含量控制图Fig8 Element content control chart2023 年第 S2 期工艺试验与应用35单铸试棒的抗拉强度在 300 MPa 以上，最大值380 MPa，平均值为 341 MPa，控制图如图 9 所示。对 70 组进行弹性模量检测，实测弹性模量控制在110150 GPa，平均值为 126.64 GPa，图 10 为实测弹性模量控制图。图 9 试棒抗拉强度控制图Fig.9 Tensile strength control chart of test rod图 10 弹性模量控制图Fig.10 Elastic modulus control chart通过对试棒金相的检测，石墨形态基本为A型石墨，珠光体含量在 99%以上，石墨长度为 4 级，如图 11 所示。对同一床身铸件连续 20 件本体硬度的跟踪检查，硬度在 HBW180200，平均值 HBW188.85，满足客户硬度要求。图 12 为铸件本体硬度控制图。通过对优化后生产的铸件进行跟踪，未发现裂纹缺陷，测量铸件线收缩率基本上在 1.2%1.3%，客户反馈铸件加工性明显改善。（a）石墨形态（100）（b）基体组织（100）图 11 金相组织Fig.11 Metallographic structure图 12 铸件本体硬度控制图Fig.12 Casting body hardness control chart5结语（1）采用提高 CE、加入适量的合金元素 Cu、Sn等进行合成铸铁的微合金化后，改善基体组织，细化晶粒能有效地提高铸铁的强度、硬度均匀性以及精度稳定性等。（2）在生产实践中还存在一定问题，成分控制还不够精确，硅碳比偏低；CE 在 3.7%3.8%还有提升空间，目标值 3.75%3.85%。铸件导轨线收缩偏大；铸件的应力缺乏相应数据。HT300 Machine Casting Production Process ImprovementXU Qingjun,JIN Cunwen,XING Beibei,ZHANG Xinxia,ZHANG Xuekui(Henan Golden Sun Precision Casting Co.,Ltd.,Xinxiang 453000,Henan China)Abstract:The casting process of HT300 machine tool castings was introduced.the cast iron was microalloyed to improve the matrix structure,refine the grain,and improve the strength,hardness uniformity and dimensional accuracy stability of the casting by increasing the carbon equivalent of the castings and adding appropriate alloying elements Cu and Sn for microalloying.Qualified castings were obtained through production.Key words:HT300;machine tool casting;microalloying（编辑：杨杨，）