QT600-3铸态大型机床横梁铸件熔炼工艺.pdf

2023 年第 5 期材料研究与应用19QT600-3 铸态大型机床横梁铸件熔炼工艺大型机床横梁铸件需要具有足够的抗拉强度、刚度以抵抗变形及承载重力，而 QT600-3 属于珠光体基体球墨铸铁，其强度高、硬度高，符合上述要求。本研究中生产的大型机床横梁铸件毛重 18.7 t，铸件平均壁厚30 mm，筋板处壁厚平均 25 mm，导轨处壁厚平均达到120 mm，对于这种壁厚变化较大的大型 QT600-3 铸态铸件来说，熔炼的难点体现在薄壁处要严格控制渗碳体的含量，厚壁处完全珠光体化等组织的精准控制，还要防止石墨漂浮、碎块状石墨及石墨畸变等难题1。针对上述难点，笔者通过对化学成分合理的控制及选择、选用重稀土长效球化剂且采用倒包球化、多次复合孕育处理等熔炼生产工艺技术进行了优化和探讨。经过实际生产和试块性能检验结果发现，该生产工艺可以稳定生产出 QT600-3 铸态下长度为 9 m 的大型机床横梁铸件，为 QT600-3 铸态大型铸件熔炼生产提供技术理论支撑。1化学成分的选择与控制（1）碳C 能促进石墨化、改善球化、提高石墨球数，减小白口倾向；提高铁液的流动性，减少铸件的缩松缺陷，但是过高的碳及碳当量2容易产生石墨漂浮，大型铸件凝固时间长，更要防止石墨漂浮。因此，选择近共晶对应的碳当量及碳含量，合理的 C 含量应控制在 3.5%3.8%。（2）硅Si 是能强烈促进石墨化的元素，易于形成铁素体。对于高牌号的球墨铸铁尽量选择合适的低Si 含量，合理的 Si 含量应控制在 1.9%2.2%。（3）锰Mn 能促进珠光体形成并细化，但易在晶界富集形成碳化物削弱力学性能3，对于大型珠光体球墨铸铁而言，Mn 能提高铸件的强度，其合理的含量应控制在 0.3%0.6%。（4）磷P 属于有害元素，应严格控制其含量，且越低越好。（5）硫S 属于有害元素，但研究表明球墨铸铁原铁液中的 S 不易过低4。为保证球化过程中促进有效的石墨基底形核，控制原铁液 S 在 0.020%以下，同时保证经过球化脱 S 后含量尽可能低。（6）钡Ba 的硫化物生成自由能比 MnS 的低，更应成为石墨形核的有效核心5,6。含 Ba 孕育剂能减小白口倾向，提高铸件的伸长率7,8，况且 Ba 具有很强的脱氧脱硫能力，与氧、硫形成的氧化物、硫化物能成为石墨形核的有效核心，因而 Ba 能有效增加石墨数量。（7）铜Cu 能促进共晶阶段的石墨化，降低奥氏体转变临界温度，细化并增加珠光体6，结合铸件结构，其合理的加入量应为 0.3%0.6%。（8）锡Sn 能强烈促进珠光体的形成6，结合铸件结构，将合理的加入量控制在 0.05%以下。（9）锑Sb 也能强烈促进珠光体的形成，有使石墨球细化的作用，有研究表明：厚大断面球墨铸铁中加潘密，金万国，周万强，张轲，王世良，徐宇嘉（武汉重型机床集团有限公司 武汉武重铸锻有限公司，湖北 武汉 430205）摘要：为解决大型铸态 QT600-3 机床横梁铸件出现碎块状、畸形等异常石墨及更多的石墨球和球化衰退与孕育衰退等技术生产难题，将铁液化学成分调整为：（C）3.5%3.8%，（Si）1.9%2.2%，（Mn）0.3%0.6%，（S）0.020%，（Cu）0.3%0.6%，（Sn）0.05%，（Sb）0.015%，低量的 P，同时选用 1.2%1.5%重稀土长效球化剂，并采用倒包球化及多次复合孕育处理等熔炼工艺技术，经过生产实践表明：铸态下能生产出长度为 9 m 的 QT600-3 机床横梁铸件，实测力学性能甚至优于标准要求。关键词：QT600-3；铸态；倒包球化；复合孕育中图分类号：TG255文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）05 0019 05收稿日期：2022-12-22修定日期：2023-07-20作者简介：潘密（1985-），男，毕业于湖南大学机械工程专业，高级工程师，主要从事铸铁合金及熔炼研究工作，E-mail:。202023 年第 5 期材料研究与应用入适量的 Sb 能有效防止碎块、畸形石墨的产生9,10，结合铸件结构，将合理的加入量控制在 0.015%以下。由此，通过控制化学成分来改善 QT600-3 的石墨球数量及圆整度、稳定基体组织及性能，QT600-3 铸态下长度为 9 m 的大型机床横梁铸件成分控制范围如表 1所示。表 1 QT600-3 铸态下长度为 9 m 的大型机床横梁铸件化学成分（质量分数，%）Tab.1 Chemical composition of QT600-3 as cast large tonnage machine tool beam casting(mass fraction,%)元素CSiMnSPCuSnSb原铁液3.84.10.71.20.30.6 0.020 0.04终铁液3.53.81.92.30.30.6 0.020 0.040.30.6 0.05 0.0152生产工艺2.1熔炼及温度控制原材料选用 Q10 生铁（S、P 含量低），加入量40%60%；普通碳素废钢，加入量为 60%40%；增碳剂选用石墨型增碳剂。生铁部分后期加入，以增强铁液自身的石墨形核能力，硅锰合金在熔炼后期加入。过热有利于消除铁液中的杂质并净化铁液，同时消除生铁粗大石墨的遗传特性，因此球墨铸铁的过热温度应控制在 1 5001 540。过高的球化温度会导致球化剂镁光溢出镁烧损严重，过低的球化温度则无法让大量的球化剂完全熔完，从而导致球化失败，适宜的球化温度应控制在 1 4001 440 。浇注温度偏高容易导致铸件产生缩孔，而浇注温度偏低容易导致铸件产生冷隔及夹渣缺陷，同时球墨铸铁在浇注后期必须进行随流孕育，以增强孕育效果及防止孕育衰退，适宜的浇注温度应控制在 1 3001 350。2.2球化处理球化剂的加入量控制在 1.2%1.5%，采用倒包冲入法球化处理工艺，以改善并增强形核能力、获得适宜的球化温度，对铁液进行前期的孕育处理以降低铁液过冷，给球化前提供良好的球化平台11。球化剂选用抗衰退能力强的重稀土球化剂，其化学成分如表 2 所示。表 2 球化剂的化学成分（质量分数，%）Tab.2 Chemical composition of spheroidizing agent(mass fraction,%)元素MgRECaBaSiBi、Sb含量671.52.51.52.5适量4245适量2.3孕育处理选用硅铁及含Ba的孕育剂进行多次复合孕育处理。（1）转运包内孕育：在包底加入粒度为 515 mm的硅铁孕育剂，加入量为 0.1%0.3%；（2）球化包内孕育：球化剂加入包内压紧平实后，在其表面覆盖粒度为 515 mm 的含 Ba 孕育剂（Ba）在 2%6%，加入量 0.4%0.7%，同时加入合金 Cu、Sn、Sb，最后在表面放置钢板；（3）球化中孕育处理：铁液球化 1/3 后开始加入粒度为 515 mm 的含 Ba 孕育剂（Ba）2%6%，加入量为 0.1%0.3%；（4）随流孕育：浇注铸件时加入粒度为 0.51.5 mm的孕育剂，加入量为 0.1%。3实际生产情况及分析讨论在经过镁或铈处理的球墨铸铁中，铸铁熔体和石墨晶体基面的棱面（101-0）之间的界面能量高于熔体和石墨晶体基面（0001）之间的界面能量，这就为石墨向0001 方向的生长奠定了基础9，同时，球化脱氧脱硫的过程为石墨形核生长提供了第二个必要条件，由此才能形成更多的石墨核心，以及后来稳定的生长成石墨球。对于 QT600-3 大型球墨铸铁件，运用倒包球化工艺技术可以同时球化并处理大量多包铁液，能够有效减少球化过程的等待时间，防止球化及孕育衰退，同时，转运包的硅铁孕育可对铁液进行前期的脱氧处理，降低铁液中的氧含量，会给球化提供良好的球化平台11,12，后期多元多次的复合孕育剂中含有的 Ba、Ca 以及球化剂中的 Mg 会与铁液中的氧、硫发生反应，进一步降低铁液中的含氧量、含硫量，与此同时，形成的氧化物、硫化物能够在石墨析出的过程中有效成为石墨形核的核2023 年第 5 期材料研究与应用21心，大量的直接形核和异质形核进而促使更多的石墨球形成并长大，从而提升并改善石墨数量及石墨球的圆整度；通过联合相应的 Cu、Sn、Sb 合金作用，可在共晶凝固时促使石墨以更圆整的形式析出，以及在共析转变过程中稳定铸态下的珠光体含量，最终通过上述工艺保证铸态下大型球墨铸铁的石墨球数、石墨圆整度，从而确保石墨球不产生碎块状及畸变，且稳定了铸态下的珠光体含量，从而有效保证大型球墨铸铁的力学性能。通过上述方法生产的 QT600-3 铸态下长度为 9 m 的大型机床横梁铸件，铸件 Y 型试块、附注试块的金相组织、力学性能完全达到并超过 GB/T 1348-2019球墨铸铁件的要求。铸件附铸试块的金相组织、力学性能和单位面积的石墨球数见表 3，金相图片见图 1、图 2，横梁铸件实物见图 3。表 3 铸件的金相组织与力学性能Tab.3 Chemical composition,mechanical properties and metallographic structure of castings编号铸件质量/t试块类型金相组织力学性能球化等级石墨大小等级珠光体含量（%）硬度（HBW）石墨球数/个mm2珠光体片层抗拉强度/MPa伸长率（%）横梁-1#18.7Y 型试块27952697264.5附铸试块（40 mm）2695229286中等片状6773.0附铸试块（70 mm）2695229194中等片状6173.0横梁-2#18.7附铸试块（40 mm）2695255196细片状7054.5附铸试块（70 mm）2695241158细片状6084.0 （a）40 mm 试块腐蚀前 （b）40 mm 试块腐蚀后 （c）70 mm 试块腐蚀前 （d）70 mm 试块腐蚀后图 1 横梁 1#的金相组织Fig.1 Metallographic structure of beam 1#222023 年第 5 期材料研究与应用 （a）40 mm 试块腐蚀前 （b）40 mm 试块腐蚀后 （c）70 mm 试块腐蚀前 （d）70 mm 试块腐蚀后图 2 横梁 2#的金相组织Fig.2 Metallographic structure of beam 2#图 3 9 m 横梁铸件Fig.3 9 meter crossbeam casting横梁 1#和横梁 2#的性能存在部分差异，由于两件横梁的碳当量完全一致，却出现了少许的石墨数量、珠光体片层大小的差异性，可能与凝固有关。实际上横梁1#明显有粗大石墨析出，先是发生过共晶转变，再发生共晶转变；横梁 2#的石墨球比较均匀，应属于共晶凝固，且石墨界面夹渣少、圆整度高、珠光体片层更小，故其在凝固较快的断面强度及延伸会更好，但最终在长时间的凝固情况下两者强度差异不大，横梁 2#的石墨圆整程度明显高于横梁 1#，由此猜测延伸与石墨的圆整度有较大的相关性。4结论（1）采用倒包球化、多次微量复合孕育工艺以及Cu、Sn、Sb 合金处理技术，提升并增强球化处理、形核能力，稳定珠光体转变含量，从而可以促使并保证大型球墨铸铁在铸态下的石墨更圆整、球数更多、珠光体含量更稳定。（2）通过合理控制成分，选用重稀土长效球化剂，采用倒包球化及多次复合孕育处理等熔炼工艺技术，能生产出铸态下长度为 9 m 的 QT600-3 大型机床横梁铸件，且力学性能优于标准要求。参考文献1马敬仲，曾艺成.厚大断面球墨铸铁件生产中若干问题的探讨（1）J.现代铸铁，2020，40（1）：1-5.2马敬仲，曾艺成.厚大断面球墨铸铁件生产中若干问题的探讨（3）J.现代铸铁，2020，40（3）：5-12.2023 年第 5 期材料研究与应用233丁陈民，李永红，刘红.铸态高强度高韧性球墨铸铁的生产技术 J.铸造，2011，60（8）：788-790.4中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册第一卷铸铁 M.北京：机械工业出版社，1997.5王春琪.铸铁孕育理论与实践 M.天津：天津大学出版社，1991：90.6杨宗明，潘密，王世良，等.铸态混合基体 QT500-10 铸件的生产实践 J.铸造工程，2022（2）：34-36.7李蒙，卢彬.铸态高强度 QT700-5 球铁的试制 J.热加工工艺，2009，38（15）：151-153.8陆文化，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼 M.北京：机械工业出版社，2002：39-40.9马敬仲，曾艺成.厚大断面球墨铸铁件生产中若干问题的探讨（3）J.现代铸铁，2020，40（2）：1-7.10 潘密，邵斌，杨宗明，等.QT350-22Al 厚大断面低温球墨铸铁件熔炼生产工艺 J.铸造，2022，71（9）：1 169-1 172.11 潘密，张杰，陈春生，等.QT400-15 大型鼓风机铸件的生产工艺 J.现代铸铁，2020（4）：1-3.Smelting Production Technology of QT600-3 As Cast Large Tonnage Machine Tool Beam CastingPAN Mi,JIN Wanguo,ZHOU Wanqiang,ZHANG Ke,WANG Shiliang,XU Yujia(Wuhan Wuzhong Casting and Forging Co.,Ltd.,Wuhan Heavy Duty Machine Tool Group Co.,Ltd.,Wuhan 430205,Hubei China)Abstract:In order to solve the technical production problems of large as-cast QT600-3 machine tool crossbeam castings with abnormal graphite such as fragmented and deformed graphite,as well as more graphite balls,spheroidization and inoculation decay,the chemical composition of the molten iron is adjusted to:(C)3.5%3.8%,(Si)1.9%2.2%,(Mn)0.3%0.6%,(S)0.020%,(Cu)0.3%0.6%,(Sn)0.05%,(Sb)0.015%,and a low amount of P.At the same time,a 1.2%1.5%heavy rare earth long-term spheroidizing agent was selected,and melting processes such as inverted spheroidization and multiple composite inoculation treatments were used.The production practice shows that QT600-3 machine tool beam castings with a length of 9 m can be produced in the cast state,and the measured mechanical properties are even better than the standard requirements.Key words:QT600-3;as cast;inverted ladle spheroidization;compound inoculation（编辑：蔡文娟，；编审：娅楠，）广东鸿图启动武汉二期项目设备投资近日，广东鸿图公布，董事会同意启动募投项目之一武汉二期的设备投资，在募集资金到位前，以自筹资金方式按报批的项目投资预算，先行投入武汉二期项目的部分设备购置。据悉，武汉二期项目主要生产汽车动力总成系统、新能源汽车三电系统、新能源汽车车身及底盘结构件、新能源汽车超大型一体化结构件等产品。2022 年 11 月，广东鸿图发布公告，拟募资在江夏区金港新区现武汉鸿图经营场地内实施“大型一体化轻量化汽车零部件智能制造项目”，该项目由武汉鸿图实施。（来源：铸造头条，链接：http:/