高碳当量高性能低应力精密机床铸件发展.pdf

2023 年第 S2 期材料研究与应用1高碳当量高性能低应力精密机床铸件发展高档大型数控机床是现代装备制造业的关键设备，也是制造业智能化的核心装备。床身是机床最重要的基础部件，它是机床各项几何精度的测定基准，作为整机基座，其它零部件搭载其上工作1。目前，我国机床行业与世界机床强国相比仍有一定差距，尤其是在中高档大型机床产品方面，国产机床功能部件无论从品种、数量、档次上还不能满足主机配套要求，我国目前很大程度上仍然需要进口。高档大型数控机床的床身铸件，占机床总重量约 70%80%，重量一般在几吨到几十吨之间，床身铸件铸造质量要求很高，它在保证大型数控精密机床的加工性能、精度及精度保持性方面起着至关重要的作用。高档大型机床用高性能铸件及其制造技术是决定机床整机功能、性能的关键。1数控机床铸件的发展趋势近年来，数控机床的快速发展，对机床铸件的要求越来越高。在高精度、强力切削、高速切削、大型化、超薄化等方面提出了新的要求。机械加工设备的高速切削要求铸件具有良好的切削性能；机床的轻量化、铸件的薄壁化要求铸件有良好的铸造性能；机床的高精度与精度保持性要求铸件有低的铸造应力。近年发展表明，高碳当量、高强度灰铸铁依然是机床铸件的发展方向。1.1高强度机床灰铸铁件通常采用 HT250、HT300、HT350 高牌号灰铸铁，国外发达国家一般采用强度等级为 300 和350 的灰铸铁，国内则采用 HT250、HT300 居多。目前，国内大部分机床铸件厂皆以较大幅度地降低碳当量来达到高强度。为此，因收缩增加引起的缩松，因铸造应力增加引起的变形，因硬度增加引起的加工性能恶化等，是生产高牌号灰铸铁中经常发生的问题。表1 为 2009 年国内外机床铸件碳当量对比。表 1 2009 年国内外机床铸件碳当量对比Tab.1 Comparison of carbon equivalent of machine tool castings at home and abroad in 2009项目HT250 碳当量 CE（%）HT300 碳当量 CE（%）HT350 碳当量 CE（%）国外机床铸件平均值3.953.833.76国内机床铸造平均值3.753.603.48各厂值3.673.783.733.773.533.593.653.643.503.583.903.753.663.773.673.653.503.703.553.783.603.823.513.473.733.263.333.67柳建国1，袁亚娟1，马敬仲1，李克锐2，巩济民1，张伯明1（1.中国铸造协会，北京 100044；2.郑州机械研究所有限公司，河南 郑州 450001）摘要：针对我国机床铸件的质量现状，论述了我国机床铸件的低碳当量、高强度对机床的精度及精度保持性的影响；综合目前国内外研究机构对高端机床铸件的研究及应用情况，表明高端数控精密机床铸件向高碳当量、高强度、高刚度、低合金化与低应力的趋势发展，通过与该领域铸造专家交流以及国内一些生产机床铸件企业调研基础上，提出了我国机床铸件发展方向及质量改进措施建议。关键词：机床铸件；高碳当量；高强度；高刚度；低应力中图分类号：TG250文献标识码：A文章编号：1673 3320（2023）S2 0001 11收稿日期：2022-08-15修定日期：2023-09-30作者简介：柳建国（1976-），男，高级工程师，主要从事铸造技术及节能减排方面的研究工作，E-mail:。22023 年第 S2 期材料研究与应用由表 1 可知，国外机床铸件在 HT250、HT300、HT350 等级中的碳当量分别为 3.95%、3.83、3.76%，而国内企业却分别为 3.75%、3.60%、3.48%。国外在同牌号下碳当量比国内高 0.2%，这组数据对研究提高我国机床铸件材料质量的措施具有重要的意义2。高碳当量、高强度灰铸铁的生产，必须与一系列的成套技术相结合，其内容是：高温熔炼、成分选择、炉料配制、低合金化、孕育剂及孕育方法的选择等；在表征铸铁性能方面，除了强度与硬度外，还须增加共晶度、弹性模量、成熟度、硬化度、品质系数、抗拉强度与硬度比等指标；在监测方面，还要加强对铁液温度、过冷度、A 型石墨比例、石墨大小等的测试3。近年来，随着我国铸造技术发展，在高碳当量、高强度、低应力灰铸铁机床铸件应用方面已取得一定进展，见表 2、3。表 2 灰铸铁的化学成分及力学性能Tab.2 Chemical composition and mechanical properties of gray cast iron试样化学成分（质量分数，%）力学性能CECSiMnPSCuSnCr抗拉强度/MPa弹性模量/GPa硬度（HBW）1 号3.212.701.5040.800.0340.016-3571142292 号3.883.251.8800.750.0340.0120.6720.0290.342322129215表 3 日本 FC30 的化学成分（质量分数，%）Tab.3 Chemical composition of Japanese FC30(mass fraction,%)CECSiMnPSCuCr3.823.153.251.802.000.81.2 0.12 0.120.40.60.20.41.2高刚度和薄壁化机床铸件在强力切削下需要高的抗变形能力，目前一些机床受力铸件是以刚度进行设计的，弹性模量是机床铸件材料质量的重要性能指标。国外机床铸件在高强度、高刚性的基础上具有高的碳当量，其弹性模量比国内 HT250、HT300、HT350 相应牌号高出 1020 GPa，这促进了铸件的薄壁化。因此，国外中等机床铸件的壁厚由 2025 mm 降至 1420 mm，小型机床壁厚已达 812 mm；机床重量也相应减少了8%10%。因此，目前低碳当量高强度灰铸铁是我国机床实现薄壁化、轻量化的重要障碍。1.3低应力与高尺寸精度稳定性机床铸件的高强度必然导致铸件铸造应力的增加（如图 1）。在高强度下降低铸造应力，使其具有良好的尺寸精度稳定性，是高精度数控机床对铸件最重要的要求之一。高碳当量、高强度灰铸铁是降低铸造应力的重要途径。实践证明，随着碳当量的提高，应力是降低的（如图 2）。因此，与国外机床铸件相比，国内机床铸件同样强度下的较低碳当量，也说明了我国机床铸件尺寸精度稳定性较差的原因。图 1 抗拉强度与铸造应力的关系Fig.1 Relationship between tensile strength and casting stress图 2 碳当量对铸造应力的影响Fig.2 Effect of carbon equivalent on casting stress2023 年第 S2 期材料研究与应用31.4良好的减振性加工精度对机床铸件的减振性要求很高，在钢与铸铁中，灰铸铁的减振性能最为良好。灰铸铁随着强度的提高（即碳当量的降低），减振性是降低的。从减振这个角度出发，提高碳当量同样是十分必要的。1.5良好的切削性能随着数控机床的发展，传统加工方式已逐渐被带有刀库的加工中心及柔性自动生产线所代替；提高加工效率，降低刀具损耗及加工成本的要求日益突出；对改善机床铸件的加工性能要求更为迫切。通常情况下，可用硬度值及可加工性指标 m（m=Rm/HBW）来表示加工性能的优劣见表 4、表 5。表 4 加工性能与硬度Tab.4 Processability and hardness硬度（HBW）160190190220220240 240加工性能易切削切削顺利可加工难加工表 5 可加工性指标 m 的控制范围（德国）Tab.5 Control range of processability index m(Germany)铸铁牌号GG20GG25GG30GG35m（Rm/HBW）0.951.181.041.391.151.501.251.37注：m 值高于上限，说明硬度过低；m 值低于下限，说明硬度过高。生产中应根据具体铸件订出企业内 m 值指标。在生产中，对机床铸件的硬度控制是比较复杂的，不可能一刀切。如，导轨处的硬度是用冷铁或石墨砖来保证的，硬度的均匀性与薄壁处的可加工性则是要用孕育来解决的，而大断面的硬度则需与合金化相结合。截面的敏感性是与化学成分、合金化、孕育处理等诸方面的综合控制密切相关的。实践证明，灰铸铁的加工性能与冶金质量有着密切的关系。1.6大型化重型、超重型机床铸件由于冷却慢、大断面，引起力学性能降低、孕育衰退和断面敏感性严重等问题，灰铸铁在强度、刚度方面已难以满足要求。因此，大断面、几十吨至上百吨重大铸件中的强度与硬度的降低，石墨形态恶化，孕育衰退，球化衰退，缩松严重等问题，都是目前机床铸件急需解决的重要课题。2数控机床铸件的衡量指标42.1力学性能对数控机床铸铁件材质有 4 项要求，即高碳当量、高强度、高刚度、低应力。高刚度与低应力是对数控机床铸件材质的性能要求；其中高刚度是要求铸件在机床高速与强力切削下具有较高的抗变形能力，以保持加工的精度，其刚性的表征为弹性模量；低应力是指铸件内部存在的残余应力，要求在铸件精加工后具有较小的变形量及良好的尺寸精度稳定性。高强度的目的是为了保证材质的高刚度，后者随着强度的提高而提高。现代高精密的数控机床主要受力件往往是按刚度设计的，实际上铸件的抗拉强度成了保证材质弹性模量的措施与手段。但是，高强度、高刚度与低应力是相互制约的，前者需低碳当量，后者需高碳当量。如何在高碳当量下获得高强度与高刚度，使高刚度与低应力统一起来。数控机床铸件材质质量要求见表 6。表 6 数控机床铸件的 4 项性能指标Tab.6 4 performance indicators of CNC machine tool castings牌号抗拉强度/MPa碳当量（%）弹性模量/GPa铸造应力/MPa均值范围铸态热时效后HT250 2503.953.904.00115120 50 20HT300 3003.833.803.85120125 60 20HT350 3503.763.733.78125130 60 20QT600-3 6004.454.354.55150170 85 3042023 年第 S2 期材料研究与应用2.2机床铸件的金相组织（见表 7）表 7 数控机床铸件的金相组织Tab.7 Metallographic structure of CNC machine tool castings项目基体石墨分布形态石墨尺寸磷共晶+碳化物灰铸铁（HT300）珠光体 98%A 型 90%，D 型 10%，不允许出现 E 型4 5 级（100 倍下，6 25 mm）2%球墨铸铁（QT600-3）珠光体 60%球化率 90%4 5 级（100 倍下，6 25 mm）2%3高碳当量、高强度、高刚度、低应力高端机床铸件的关键技术与控制目前不少机床铸件生产企业正在努力攻关高端机床铸件，但由于对生产高碳当量、高强度机床铸件是一个系统工程认识不足，未能系统地将铁液温度、废钢增碳工艺、（Si）/（C）比、合金化、强化孕育、打箱时间、时效工艺等环节全部控制起来，总有一个或几个环节执行不到位，这是不少企业未达到高端数控机床铸件质量要求的主要原因。3.1高温熔炼、废钢增碳工艺是生产高碳当量、高强度灰铸铁机床件的技术基础以片状石墨为特征的灰铸铁，其石墨的数量、碳当量的高低对其力学性能起着决定性的作用（见表10）。表 8 机床铸件的共晶度ScTab.8 Eutectic degree Sc of machine tool castings牌号化学成分共晶度 Sc(C)(%)(Si)(%)均值(%)范围(%)HT2503.253.351.852.050.910.890.92HT3003.153.251.802.000.880.870.89HT3503.103.201.751.950.860.820.87表 9 机床铸件冶金质量指标Tab.9 Metallurgical quality index of machine tool castings牌号共晶度 Sc成熟度 RG硬化度 HG品质系数 QiHT250HT300HT350Sc 0.85RG=30 试棒Rm/（1 000-800Sc）1.0HG=30 试棒Rm/（900-744Sc）1.0Qi=RG/HG 1.0（硬度 186 HBW）2.3机床铸件材质冶金质量（1）共晶度 ScSc=铸铁含碳量/共晶点实际含碳量 （C）/4.26-1/3（Si），机床铸件的 Sc见表 8。（2）成熟度 RG、硬化度 HG、品质系数 Qi 三个指标要求（见表 9）2.4机床铸件硬度机床导轨硬度为 200 HBW20 HBW。2023 年第 S2 期材料研究与应用5表 10 灰铸铁的强度与石墨量的关系Tab.10 Relationship between strength of gray cast iron and graphite content牌号HT150HT200HT250HT300HT350石墨量（体积分数，%）71169473624要在高碳当量下获得高强度，就必须在石墨形核、石墨细化、石墨的分布形态及基体的细化上进行改进与提高。而高的过热温度、废钢增碳工艺、高（Si）/（C）比、合金化就是改善石墨、强化基体、提高强度的 4 个影响因素。（1）铁液的过热温度要达到 1 5001 550 铁液的高温过热可细化石墨，见图 3。铁液的过热可提高灰铸铁的抗拉强度与弹性模量，见图 4；这与铁液温度 1 5001 550 细化石墨、细化基体有关。一般来说细化石墨对提高力学性能较易理解，其实细化珠光体对提高抗拉强度也是很显著的，粗、细珠光体其强度相差达 100 MPa 以上，见表 11。（a）未高温过热的石墨 （b）经高温过热的石墨图 3 铁液过热温度对石墨细化的影响（100）Fig.3 Effect of superheating temperature of liquid iron on refining of graphite(100)图 4 过热温度对铸铁强度与弹性模数的影响Fig.4 Effect of superheating temperature on strength and elastic modulus of cast iron表 11 珠光体细化对灰铸铁力学性能的影响Tab.11 Effect of pearlite refinement on mechanical properties of gray cast iron力学性能粗珠光体（片间距12 mm）细珠光体（片间距1 mm）托氏体（极细珠光体）抗拉强度/MPa240350380硬度（HBW）207255315铁液过热提高冶金质量，图 5 为铁液温度对品质系数 Qi 的影响。冶金指标中品质系数 Qi 的提高，表明铸铁在满足强度的条件下，铸造性能与加工性能优良，石墨化程度高。图 5 铁液温度对品质系数 Qi 的影响Fig.5 Effect of liquid iron temperature on quality coefficient Qi铁液的高温过热使铁液中的氧及氧化夹渣物大幅度降低。图 6 为铁液温度达到平衡温度后发生的自脱氧反应。铁液中的氧化物被还原，氧以 CO 形式逸出，氧化物夹杂含量降低、铁液净化。图 7 表明铁液温度在平衡温度以下（1 350）时，氧化物增长的状况；图 8 表明，铁液在平衡温度以上（1 510）时，SiO2等氧化物夹杂含量大幅度降低铁液得到净化的状况。62023 年第 S2 期材料研究与应用图 6 铁液温度与溶氧量的关系Fig.6 The relationship between liquid iron temperature and dissolved oxygen图 7 1 350 温度时 SiO2含量急剧上升 Fig.7 The content of SiO2 increases sharply at 1 350 图 8 1 510 温度时 SiO2含量显著下降Fig.8 The content of SiO2 decreases significantly at 1 510 铁液的高温过热有利于孕育，对于高碳当量灰铸铁尤为重要。随着碳当量或共晶度的增加，孕育效果是降低的，碳当量、共晶度越高，孕育效果越差，这与低碳当量的孕育效果形成反差。见图 9，图 10。造成上述结果的原因之一是高碳当量的原铁液的过冷度小，孕育效果差，因此提高高碳当量原铁液的过冷度则十分重要。高温熔炼有效地提高了铁液的过冷度，从而提高了高CE 铁液的“受孕”能力，见图 11。图 9 不同共晶度Sc下孕育对灰铸铁性能的影响Fig.9 Effect of inoculation with different eutectic degree Sc on the properties of gray cast iron图 10 不同碳当量下孕育处理对灰铸铁强度的影响Fig.10 Effect of inoculation treatment on strength of gray cast iron under different carbon equivalent2023 年第 S2 期材料研究与应用7图 11 铁液过热温度对铸铁结晶过冷度的影响Fig.11 Effect of superheating temperature of liquid iron on crystallization subcooling degree of cast iron铁液的高温过热细化石墨、细化基体，提高力学性能，是生产高碳当量高强度灰铸铁时的首要基础。铁液高温过热使铁液净化，增加了过冷度，降低了氧化物含量，利于孕育，利于流动性，从而可提高力学性能，见表 12。（2）高废钢配比与增碳工艺是灰铸铁在高碳当量下能够获得高强度的重要支撑灰铸铁的研究证明，要在高碳当量下获得高强度，往往与石墨的形核，石墨的品质与铁液的纯净度有关。在这方面，废钢增碳工艺功不可没。表 12 铁液温度对铸铁强度的影响Tab.12 Effect of liquid iron temperature on strength of cast iron牌号铁液温度 1 4801 510 铁液温度 1 450 碳当量（%）抗拉强度/MPa成熟度 RG碳当量（%）抗拉强度/MPa成熟度 RGHT2503.782910.943.682830.87HT3003.673371.013.503300.90HT3503.623891.133.363760.96废钢增碳所析出的石墨品质优于生铁中形成的石墨，其石墨细小、分布均匀。灰铸铁中的石墨来自两处：一是生铁遗传和析出，生铁原生石墨粗大，铁液中析出的石墨也多在它的基础上长大；二是废钢增碳析出，这种石墨在异形核心氧化物与硫化物上结晶长大，不仅细小、均匀，且石墨化膨胀作用大。随着废钢加入量增大，增碳剂加入量也随之增加，形核能力增大。因此，形核能力强、石墨品质好，是废钢增碳工艺提高抗拉强度的重要原因。废钢增碳工艺在提高铁液纯净度方面也不亚于高纯生铁，尤其是在电炉熔炼时，采用高纯生铁时虽限制了微量元素，但形核能力不足，而废钢增碳工艺不仅限制了生铁中有害的微量元素，还增加了结晶核心。废钢增碳工艺大幅度降低了生铁的加入量，减少了生铁粗大石墨的遗传性。目前废钢增碳工艺的配料有两种：一种是高废钢、低生铁配料（废钢 50%80%、生铁 10%、其余回炉料）；另一种是合成铸铁，即不用生铁,全部用废钢+回炉料。增碳工艺也是两种：一是电炉熔炼采用增碳剂增碳；另一种是冲天炉焦碳+SiC 增碳。废钢+增碳工艺在生产实践中获得下列效果：在高碳当量下获得高强度。这也是废钢增碳工艺的目的。典型的例子是汽铸造采用 100%废钢增碳工艺在相同碳当量 4.0%下与传统配料相比，将抗拉强度从 270280 MPa 提高至 320325 MPa，见表 13。由表可知，废钢增碳工艺使灰铸铁在 4.0%高碳当量下的抗拉强度与同样成分的传统配料相比，提高 4050 MPa。表 13 废钢增碳工艺使灰铸铁在高碳当量下获得高强度Tab.13 The scrap carburization process makes gray cast iron obtain high strength at high carbon equivalent配料熔炼工艺铁液状态碳当量（%）化学成分（质量分数，%）30 标准试棒性能CSiMnPSCrCuSn抗拉强度/MPa硬度（HBW）废钢+生铁+回炉料冲天炉双联原铁液孕育后4.033.331.97（原）0.790.0450.0970.220.170.012802032.10（终）0.790.0450.0970.290.450.06270198100%废钢电炉熔炼原铁液孕育后4.003.321.86（原）0.650.0360.0740.320.530.013252172.06（终）0.650.0360.0740.320.530.0632021182023 年第 S2 期材料研究与应用在同样的化学成分下减少了收缩倾向。其原因是废钢增碳工艺形成的石墨是因增碳而析出的石墨，与传统配料中来自生铁中的石墨不同，后者的石墨是生铁中原有的部分石墨，不产生石墨化膨胀，而前者是废钢增碳工艺析出的石墨，膨胀作用大，故凝固时收缩小，铸件缩松少。在同样成分下降低了断面敏感性，见表 14。表 14 废钢增碳工艺对断面敏感性的影响Tab.14 Influence of scrap carburizing process on section sensitivity熔炼工艺阶梯试样不同断面的硬度（HBW）40 mm 与 70 mm 处的硬度差（HBW）40 mm20 mm10 mm5 mm传统配料冲天炉电炉双联189198229-40100%废钢电炉熔炼207210222-15在同样成分下，废钢增碳工艺因增加了石墨的形核能力，促进了石墨化，显著地减少了白口倾向，见表15。共享集团在废钢增碳工艺及合成铸铁的实践也获得了相同的结果，见表 16。由表可知，合成铸铁在提高弹性模量方面是十分显著的。表 15 废钢增碳工艺对白口倾向的影响Tab.15 Influence of scrap carburizing process on white gap tendency熔炼工艺三角白口/mm孕育前孕育后传统配料冲天炉电炉双联195100%废钢电炉熔炼142表 16 废钢增碳工艺对铸铁力学性能与弹性模量的影响Tab.16 Effect of scrap carburizing process on mechanical properties and elastic modulus of cast iron类型炉料配比（%）抗拉强度/MPa弹性模量/GPa硬度（HBW）废钢新生铁回炉料合成铸铁70030325310128.9136.2221217高废钢配比601525320300100.5100.72172033.2高碳当量灰铸铁必须有适当的（Si）/（C）比及合金化才能达到高强度在碳当量 3.42%3.70%时，碳当量不变的条件下，降低含 C 量、提高（Si）/（C）比，可提高抗拉强度，同时也提高了弹性模数，共享集团的试验证明了这一点，见表 17。由表可知，在 CE 为 3.66%时，（Si）/（C）比从 0.51 提至 0.6，抗拉强度由 325 MPa 提高至 350 MPa，提高了 7.6%，弹性模量由 102.5 GPa 提至126.8 GPa，提高了 23.7%。表 17 (Si)/(C)在 CE 为 3.65%3.67%下对抗拉强度的影响Tab.17 The influence of (Si)/(C)on tensile strength at CE 3.65%3.67%CE（%）化学成分（质量分数，%）（Si）/（C）比值抗拉强度/MPa弹性模量/GPaCSi3.663.121.600.51325102.53.663.081.740.56330128.73.653.071.750.57350133.13.673.061.830.60350126.82023 年第 S2 期材料研究与应用9值得指出的是，对 HT300，CE 高达 3.82%的情况下，（Si）/（C）的提高对强度的作用却是下降的，原因是在高碳当量下 Si 的提高虽有增加奥氏体数量、强化铁素体的作用，但它也使铁素体量增多及共析温度提高，珠光体在较高温度下生成易粗化，对强度有着负面影响。因此，在高 CE 下的（Si）/（C）比的选择有两点要注意：一是要加合金；二是在加合金的条件下，（Si）/（C）的比值只能小幅度提高，以（Si）/（C）比 0.550.60 为宜。表 18 为日本在高 CE 灰铸铁下的（Si）/（C）比数值。表 18 日本高 CE 灰铸铁的(Si)/(C)比Tab.18 (Si)/(C)ratio of high CE gray cast iron in Japan材料牌号HT250HT300HT350CE（%）均值3.953.833.76C、Si（质量分数，%）C3.3、Si1.95C3.20、Si1.90C3.15、Si1.85（Si）/（C）比值0.570.590.59注：灰铸铁中加入（Cu）0.4%0.6%，（Cr）0.2%0.4%。机床灰铸铁件从低碳当量高强度提升至高碳当量高强度，在材质质量上是一个重大提升（见表 19）。虽然有很多困难，但还是可以做到的。目前在机床铸件中加入的合金基本上是 Cu、Cr、Sn、Sb 这 4 种元素。各企业用法不一：有的用 3 种，Cu、Cr、Sn；有的用 2种 Cu、Cr 或 Cu、Sn；个别的一种 Sb 或 Sn。表 19 高碳当量高强度灰铸铁与低碳当量高强度灰铸铁的性能对比Tab.19 Comparison of properties of high carbon equivalent high strength gray cast iron and low carbon equivalent high strength gray cast iron类别碳当量CE（%）化学成分（质量分数，%）抗拉强度/MPa弹性模量/GPa硬度（HBW）CSiCuCrSn低 CE 高强度灰铸铁3.472.961.50-332129215高 CE 高强度灰铸铁3.883.261.880.670.340.0293571142293.3高碳当量含氮、锡对高性能低应力灰铸铁材料强化57为使灰铸铁获得较高强度，长期以来国内外铸造工作者做了大量工作，如：孕育铸铁、高硅碳比、高废钢比例合成铸铁及合金化等，都使灰铸铁强度得以提高、应用扩大。但高牌号灰铸铁始终受低碳当量、高合金化研究及发展思路限制，低碳当量必然意味着铸造性能差、收缩倾向大、应力高、加工性能差、导热性能差；高合金化必然意味着成本提高。在优化设计 HT300 的高碳当量灰铸铁基本成分的基础上，研究了氮和锡元素对灰铸铁组织及性能的影响规律，优化了氮和锡元素含量，改善石墨形态和分布，增加珠光体量，细化珠光体，提高强度、硬度和弹性模量,开发出高碳当量高强度低应力灰铸铁。HT300 灰铸铁的化学成分设计见表 20，可使灰铸铁的抗拉强度 300 MPa、硬度 200 HBW 及弹性模量 120 GPa，铸态残余应力 50 MPa。表 20 HT300 灰铸铁的化学成分设计Tab.20 Chemical composition design of HT300 gray cast iron（Si）/（C）质量分数，%碳当量CSiMnPSNSn0.550.603.803.903.203.301.751.950.801.00 0.060.050.090.0080.0100.020.06102023 年第 S2 期材料研究与应用（1）原材料选择为了获得良好的灰铸铁组织和性能，在生产过程中严格把控原材料的质量。在保证化学成分稳定的前提下，采用废钢+回炉料+碳化硅、增碳剂增碳增硅合成铸铁工艺，氮化锰铁的化学成分见表 21。表 21 氮化锰铁的化学成分（质量分数，%）Tab.21 Chemical composition of ferromanganese nitride(mass fraction,%)元素MnNFe含量808557余量废钢选用优质普通碳素结构钢，加入量 60%65%；回炉料选用同牌号 HT300 回炉料，加入量 35%40%；增碳剂选用中温石墨化增碳剂，粒度为 18 mm，加入量 1.5%2.0%；碳化硅采用冶金碳化硅，粒度为29 mm，加入量 0.6%1.2%；氮化锰铁采用成分如表21 所示，加入量 0.06%0.12%，粒度为 15 mm，经高温熔炼净化后铁液 1 5001 520 出炉，随铁液冲入浇注孕育包内，控制铁液中氮含量在 80100 ppm；孕育剂采用硅钡长效孕育剂，孕育剂加入量为 0.4%，粒度为 0.51.0 mm；随流孕育采用 SiFe75，随流孕育加入量 0.05%0.1%，粒度为 0.20.7 mm。对于树脂砂砂型，一般浇注温度控制在 1 3801 400。（2）氮对灰铸铁基体组织和力学性能的影响含氮灰铸铁试样的金相组织为片状石墨+珠光体+少量铁素体。组织中的片状石墨周围相对较亮的组织为少量铁素体+粗片状珠光体，其他较暗区域的组织为细片状珠光体和索氏体型珠光体。随着含氮增加，试样基体组织中粗片状珠光体比例减少，珠光体层片状间距减小。同时，还可减少铸件缩孔、缩松缺陷。随着含氮量的增加，灰铸铁试样的抗拉强度、硬度和弹性模量呈先增大后减小的趋势，当（N）=0.012 0%时，试样的抗拉强度、硬度和弹性模量达到最大值。氮虽然可以显著提高灰铸铁的抗拉强度和硬度，但当氮含量过大时，试样加工后出现气孔缺陷。实际生产中控制（N）=0.008 0%0.010 0%最佳。（3）锡对含氮灰铸铁组织和性能的影响采用 Sn 作为合金强化元素，Sn 能增加共晶团数量，促进珠光体的形成、细化珠光体层片间距；同时，随着含氮量的增加，试样中片状石墨长度变短、宽度稍有增加，弯曲程度增加，石墨端部钝化，提高铸铁综合力学性能。试验中随着锡含量由（Sn）0.02%增加到（Sn）0.06%，灰铸铁的抗拉强度不断增加，而随着锡含量的增加，布氏硬度和弹性模量其变化趋势为逐渐增加。当（Sn）0.05%以上时，其力学性能增加不明显。经大量生产性试验测得含氮机床床身铸件力学性质、金相组织及冶金质量分别见表 2224。表 22 含氮机床铸件力学性能实测值Tab.22 Measured mechanical properties of nitrogen-containing machine tool castings项目抗拉强度/MPa弹性模量/MPa试棒硬度（HBW）导轨硬度（HBW）控制指标 300 120 24019010最大值368131223196最小值321120201181平均值339124223187表 23 含氮机床铸件金相组织Tab.23 Metallographic structure of nitrogenous machine tool castings牌号石墨形态石墨大小基体组织HT300A 型石墨 95%，石墨细小、弯曲、尖部钝化46 级珠光体 98%，珠光体片间距 1 mm表 24 含氮机床铸件冶金质量Tab.24 Metallurgical quality of nitrogenous machine tool castings项目共晶度成熟度硬化度品质系数控制指标Sc 0.85RG 1.0HG 1.0Qi 1.0最大值0.901.260.991.32最小值0.881.100.881.15平均值0.891.170.941.24通过对国内多家铸造企业调研，含氮灰铸铁已经可以做到：抗拉强度 250 MPa，不加或少加贵重合金；抗拉强度 300 MPa，少加合金；抗拉强度 350 MPa时，碳当量可维持在 4.0%左右。2023 年第 S2 期材料研究与应用11实践证明：含氮灰铸铁效果明显、成本低廉，为高碳当量高强度灰铸铁的生产开辟了一条新思路，但因生产窗口窄想要获得稳定效果需要严格过程和材料控制。随着国内铸造企业工艺、管理水平及原辅材料和检测能力的提高，会有越来越多机床铸件、柴油机缸盖和重卡制动鼓等铸件采用含氮灰铸铁。其中，机床铸件要求高刚度保证机床抗变形能力、同时要求低应力保证精度的持续性；柴油机功率提高、重量减轻，要求缸盖铸件不仅强度要高，还要有优良的导热性和减振性；重卡制动鼓工作条件恶劣，除要求强度高外，还因需降低工作温度而对导热性有很高的要求。综上所述，鉴于灰铸铁独特的优势，应大力发展高碳当量、高强度、高刚度、高硅碳比、低合金化、低应力、含氮的灰铸铁，还有很大的发展空间。4结论（1）高端机床铸件对材质的要求是高刚度、低应力，前者系指机床铸件在高速切削与强力切削下，其有足够的刚度支持加工零件的加工精度，后者系指机床铸件具有良好的尺寸稳定性以支持机床的精度保持性。（2）传统灰铸铁机床铸件的高刚度由于是在低CE、高强度下获得的，因此同时产生了高的铸造应力，加工性能恶化及缩松倾向增大问题；而高端机床铸件的特点是在高CE、高强度、低应力的水平上达到新的平衡。（3）采用 N+Sn 强化技术，氮能钝化石墨，石墨变短变粗，弯曲；锡能细化基体组织，增加共晶团数量，完全能满足高碳当量强度，高弹性模量，低应力高端数控机床铸铁件的使用技术要求。参考文献1周长春，易涛，李晓虎，等.大型数控机床低应力高精度床身铸造技术 J.机械设计与制造，2020（5）：159-162.2马敬仲，李克锐.高端数控精密机床铸件的发展方向 J.铸造，2014（12）：1 217-1 225.3马敬仲，袁亚娟.由若干企业的调查数据看我国机床铸铁件质量及其发展方向 J.现代铸铁，2010（4）：15-23.4马敬仲.马敬仲文集 M.北京：中国铸造协会，2020.5靳存文，邢贝贝，徐清军，等.铸铁中气体元素氧、氮、氢的再认识 J.铸造，2021（12）：1 412-1 416.6邢贝贝，徐清军，张新霞，等.高强度合成灰铸铁机床铸件的生产技术控制 J.铸造工程，2020（4）：7-10.7周照峰，靳存文，许涛，等.高端数控龙门机床工作台铸件生产实践 J.铸造工程，2023（S1）：57-60.High Carbon Equivalent High Performance Low Stress Precision Machine Tool Castings DevelopmentLIU Jianguo1,YUAN Yajuan1,MA Jingzhong1,LI Kerui2,GONG Jimin1,ZHANG Boming1(1.China Foundry Association,Beijing 100044,China;2.Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,Henan China)Abstract:According to the quality status of machine tool castings in China,the influence of low carbon equivalent and high strength of machine tool castings on the accuracy and accuracy retention of machine tools was discussed.Based on the current research and application of high-end machine tool castings by domestic and foreign resear