一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺的制作方法

1.本发明涉及机床铸件铸造熔炼技术领域，特别是一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，适用于高精度机床灰铸铁件石墨形态的改善。


背景技术：

2.根据gb/t 7216-2009《灰铸铁金相检验》灰铸铁的石墨形态分为a型、b型、c型、d型、e型、f型六种形态，这六种石墨形态中，a型石墨大小适中，分布均匀，铸件强度高，减震性能，加工性能好，是高强度机床灰铸铁件最佳的石墨形态。
3.对于高强度机床灰铸铁件，传统工艺生产时，往往以降低碳当量（碳当量≈碳含量+硅含量/3）为手段使铸件的强度满足要求，这样导致铸件组织中出现较多的d和e型石墨，甚至出现碳化物，厚大部位容易出现缩孔、缩松，恶化性能，对铸件的刚度和减震以及加工性能都会产生不利影响，进而导致机床铸件加工精度低和精度保持性差。


技术实现要素：

4.针对上述生产工艺的缺点，本发明的目的是提供一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，选用优质的炉料并添加预处理剂，通过中频感应电炉熔化，调整合适的成分，经过多次强效孕育处理，使机床铸件在具备高刚度的同时获得足够多的a型石墨，进而提高机床铸件的加工精度和精度保持性。
5.本发明的技术方案是：一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，在中频感应电炉内腔中，自下而上依次逐层添加铸造用生铁、石墨化增碳剂、预处理剂、碳素废钢和回炉料，熔化成铁液，按照成分控制要求调整合格的原铁液，使原铁液的碳当量为3.70～3.75wt%；在铁液出铁和浇注过程中分别添加不同粒度的一次sisrzr孕育剂和二次sisrzr孕育剂进行强化孕育处理，其中：出铁过程中加入0.3～0.4wt%的一次sisrzr孕育剂，粒度为0.7～3mm；浇注过程中加入0.1～0.15 wt%的二次sisrzr孕育剂，粒度为0.2～0.7mm。
6.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，在熔化原铁液所使用的炉料中，铸造用生铁的加入量为5～10wt%，其中p≤0.06wt%，cr≤0.05wt%，ti＜0.10wt%，表面无锈蚀；石墨化增碳剂的粒度在10mm以下，其中s≤0.02wt%，n≤0.02wt%；碳素废钢的加入量为60～70wt%，无锈蚀；回炉料的加入量为20～30wt%，表面需经过抛丸处理。
7.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，预处理剂的加入量为0.1～0.3wt%，粒度在10mm以下，其成分要求为：si62.00～69.00wt%，al3.00～5.00wt%，zr3.00～5.00wt%，ca0.60～1.90wt%，fe余量。
8.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，通过中频感应电炉将全部炉料按照配比熔化成铁液，在熔化过程中，清除炉内已熔化铁液表面浮渣后，再继续添加炉料，保证熔化后铁液表面干净，并检测和调整铁液成分；按重量百分比计，原铁液的成分如下：c3.20～3.25%，si1.40～1.50%，mn0.80～0.90%，p＜0.040%，s0.08～0.10%，cr0.20～
0.25%，ti＜0.05%，al＜0.03%，pb＜0.005%，b＜0.005%，fe余量。
9.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，原铁液温度升温至1510～1530℃，保温8～10min净化处理后，除去表面浮渣，待温度降低至1500℃以下出铁至浇注包。
10.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，向浇注包内加入0.6～0.8wt%的电解cu和0.03～0.05wt%的sn，并向孕育斗中添加粒度为0.7～3mm的一次sisrzr孕育剂，孕育斗的位置位于出铁口与浇注包之间的铁流上方；出铁重量达到1/4时，开始孕育处理，孕育处理时，一次sisrzr孕育剂通过孕育斗匀速地滴落到铁流上，保证至出铁重量3/4时，全部滴完。
11.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，铁液出铁完成后，将浇注包内一次孕育后铁液表面浮渣清除干净，用覆盖剂盖住一次孕育后铁液表面。
12.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，将浇注包转运至浇注区，向孕育斗中添加粒度为0.2～0.7mm的二次sisrzr孕育剂，孕育斗的位置位于包嘴与浇口杯之间的铁流上方；清除一次孕育后铁液表面的覆盖剂，一次孕育后铁液温度控制在1360～1400℃，温度合格后开始浇注。
13.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，在整个浇注过程中，二次sisrzr孕育剂通过孕育斗均匀地滴落到铁流上，同时出铁孕育时间到浇注完成时间控制在15min内。
14.所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，sisrzr孕育剂成分要求为：si73.00～78.00wt%，sr0.60～1.00wt%，zr1.00～1.50wt%，al＜0.50wt%，ca＜0.10wt%，fe余量。
15.本发明的设计思想是：在炉料使用上，选用优质的生铁、碳素废钢和回炉料，并向炉料中加入0.1～0.3wt%预处理剂，粒度在10mm以下；在成分控制上，调整化学成分，提高碳当量至3.70～3.75wt%，通过添加cu、cr、sn三种合金元素提高材质刚性；在孕育处理上，铁液出铁时，加入0.3～0.4wt%的sisrzr孕育剂，粒度为0.7～3mm，浇注过程中加入0.1～0.15 wt%的sisrzr孕育剂，粒度为0.2～0.7mm。通过上述工艺改进，改善了机床铸件石墨形态，减少d型和e型石墨的产生，增加a型石墨形态数量，使铸件具备较高的刚性和良好的减震性能，进而提高机床铸件加工精度和精度保持性。
16.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：1、本发明在炉料内添加了含有铝、钙、锆等脱氧元素的预处理剂，能够增加铁液中石墨形核核心，促进石墨长大，降低铁液的白口倾向，为后续的孕育处理能够获得较多的a型石墨创造有利条件。
17.2、本发明通过调整化学成分，提高碳当量，通过添加cu、cr、sn三种合金元素提高材质刚性，减少d型和e型石墨的产生，增加a石墨含量，提高组织致密性。
18.3、本发明在铁液出铁的过程中，一次孕育采用了sisrzr孕育剂代替普通75sife孕育剂，增加铁液的形核能力，防止孕育衰退，降低白口倾向，促进a型石墨生长。
19.4、本发明在铁液浇注过程中，增加了二次孕育处理，采用粒度细小的sisrzr孕育剂，由于铁液在铸型内凝固时间长，防止铸件厚大部位处孕育衰退导致的石墨粗大以及块状石墨的产生，使a型石墨均匀分布。
20.5、本发明生产工艺简单，操作方便，过程可控，产品质量稳定。
附图说明
21.图1为本发明改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺按照配比添加炉料熔化原铁液示意图。
22.图2为本发明改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺铁液出铁过程添加sisrzr孕育剂一次孕育示意图。
23.图3为本发明改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺铁液浇注过程添加sisrzr孕育剂二次孕育示意图。
24.图4-图5为本发明实施例1的铸铁金相组织形貌。其中，图4为石墨形态（100
×
），图5为基体组织（200
×
）。
25.图中，1.中频感应电炉；2.铸造用生铁；3.石墨化增碳剂；4.预处理剂；5.碳素废钢；6.回炉料；7.原铁液；8.出铁口；9.孕育斗；10.一次sisrzr孕育剂（粒度：0.7～3mm）；11.浇注包；12.一次孕育后铁液；13.包嘴；14.二次sisrzr孕育剂（粒度：0.2～0.7mm）；15.浇口杯；16.铸型；17.型腔；18.二次孕育后铁液。
具体实施方式
26.如图1-图3所示，本发明提出一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，在中频感应电炉1内腔中，自下而上依次逐层添加铸造用生铁2、石墨化增碳剂3、预处理剂4、碳素废钢5和回炉料6，熔化成铁液，按照成分控制要求调整合格的原铁液7，在出铁和浇注过程中分别添加不同粒度的一次sisrzr孕育剂10和二次sisrzr孕育剂14进行强化孕育，浇注过程中添加二次sisrzr孕育剂14的粒度小于出铁过程中一次sisrzr孕育剂10的粒度。
27.在熔化原铁液所使用的炉料中，铸造用生铁2的加入量为5～10wt%，其成分要符合gb/t 718-2005《铸造用生铁》标准中的要求，其中p≤0.06wt%，cr≤0.05wt%，ti＜0.10wt%，表面无锈蚀；石墨化增碳剂3的加入量按照设计的成分要求计算加入，粒度在10mm以下，其成分要符合yb/t 4403-2014《石墨化增碳剂》标准中的二级以上要求，其中s≤0.02wt%，n≤0.02wt%；预处理剂4的加入量为0.2wt%，粒度在10mm以下，其成分要求si62.00～69.00wt%，al3.00～5.00wt%，zr3.00～5.00wt%，ca0.60～1.90wt%，fe余量；碳素废钢5的加入量为60～70wt%，来源单一稳定，无锈蚀，其成分要符合表1中要求；回炉料6的加入量为20～30wt%，由机床灰铸铁件清铲下的浇冒口等构成，表面需经过抛丸处理。其中，预处理剂是一种含有铝、钙、锆等脱氧元素的硅铁基材料，能有效增加铁水形核率和核稳定性，实现原铁液的一致性，使铸件的性能更稳定。
28.表1碳素废钢5成分要求（wt%）
csimnpscrtisnalvwfe＜1.0＜1.0＜1.0＜0.05＜0.05＜0.10＜0.05＜0.01＜0.03＜0.03＜0.02余量
通过中频感应电炉1，将全部炉料按照配比熔化成铁液，在熔化过程中，随时清除炉内已熔化铁液表面浮渣后，再继续添加炉料，保证熔化后铁液表面干净，并检测和调整铁液成分，使铁液成分达到原铁液7要求，合理控制原铁液7的碳当量为3.70～3.75wt%，见表2。
29.表2原铁液7成分要求（wt%）将原铁液7温度升温至1510～1530℃，保温8～10min净化处理后，除去表面浮渣，待温度降低至1500℃以下开始出铁，实施例的原铁液7成分见表3。
30.表3实施例中的原铁液7成分（wt%，fe余量）csimnpscrtialpbb实施例13.231.460.810.0370.0860.240.0410.0260.0030.002实施例23.211.490.860.0340.0930.210.0370.0240.0020.004实施例33.251.420.820.0350.0970.230.0350.0200.0010.003如图2所示，将浇注包11对准中频感应电炉1的出铁口8，向浇注包11内加入0.6～0.8wt%的电解cu和0.03～0.05wt%的sn，并向孕育斗9中添加一次sisrzr孕育剂10（粒度：0.7～3mm），加入量为0.3～0.4wt%，其成分要求si73.00～78.00wt%，sr0.60～1.00wt%，zr1.00～1.50wt%，al＜0.50wt%，ca＜0.10wt%，fe余量；孕育斗9的位置位于出铁口8与浇注包11之间的铁流上方，确保高度在200～300mm范围内；调整中频感应电炉1角度，使原铁液7由出铁口8缓慢流入浇注包11内，当出铁重量达到1/4时，开始孕育处理，孕育处理时，使一次sisrzr孕育剂10（粒度：0.7～3mm）通过孕育斗9匀速地滴落到铁流上，保证至出铁重量3/4时，全部滴完，实施例的一次孕育后铁液12成分见表4。
31.表4实施例中的一次孕育后铁液12成分（wt%，fe余量）
csimnpscrcusntialpbb实施例13.221.750.800.0390.0860.230.720.040.0400.0250.0020.002实施例23.211.790.850.0330.0940.200.650.030.0360.0230.0020.003实施例33.231.720.810.0360.0980.220.760.050.0350.0200.0010.002
原铁液7出铁完成后，将浇注包11内的一次孕育后铁液12表面浮渣清除干净，并用覆盖剂盖住一次孕育后铁液12表面，防止一次孕育后铁液12表面氧化和温度下降过快。
32.将浇注包11转运至浇注区，清除一次孕育后铁液12表面的覆盖剂，用测温枪测试一次孕育后铁液12温度，一次孕育后铁液12温度控制在1360～1400℃，温度合格后准备开始浇注。
33.如图3所示，调整浇注包11位置，使包嘴13对准铸型16上面的浇口杯15，向孕育斗9中添加二次sisrzr孕育剂14（粒度：0.2～0.7mm），加入量为0.1～0.15wt%，孕育斗9的位置位于包嘴13与浇口杯15之间的铁流上方，确保高度在100～200mm范围内；调整浇注包11高度和倾斜角度，使一次孕育后铁液12缓慢流入浇口杯15内，并通过浇口杯15进入到铸件型腔17内，直至整个型腔充满。在整个浇注过程中，二次sisrzr孕育剂14（粒度：0.2～0.7mm）通过孕育斗9要均匀地滴落到铁流上，以提高铁液的孕育效果，同时出铁孕育时间到浇注完成时间控制在15min内，保证二次孕育后铁液18具备较多的石墨形核核心和抗衰退能力，最终可以使铸件具备较高刚度的同时又能够获得足够多的a型石墨，见表5、图4和图5。
34.表5传统工艺和实施例的性能指标
d型石墨数量（%）e型石墨数量（%）a型石墨数量（%）刚性-弹性模量（gpa）传统工艺3.8～9.68.5～15.874.6～87.7110.2～128.5实施例11.34.294.5139.7实施例21.55.393.2138.4
实施例30.73.895.5143.8
本发明中，sisrzr孕育剂是一种含有硅、锶、锆等活性孕育元素的硅铁基材料，可以降低白口倾向，细化灰铸铁件中的石墨长度，由于锆在铁液中具有束缚氮的作用，从而可以减少氮气孔或氮裂纹的缺陷。
35.结果表明，本发明在传统工艺的基础上，向炉内加入预处理剂以增强铁液形核能力，同时合理控制铁液成分，碳当量提高至3.70～3.75wt%，在出铁和浇注过程中分别添加不同粒度的sisrzr孕育剂，强化孕育效果，增加石墨核心和改善石墨形态，减少d型和e型石墨的产生，增加a型石墨形态数量，d型石墨数量由3.8～9.6%减少至0.7～1.5%，e型石墨数量由8.5～15.8%降至3.8～5.3%，a型石墨数量由74.6～87.7%增加至93.2～95.5%，使铸件具备较高的刚性（弹性模量135～150gpa）和良好的减震性能，进而提高机床铸件加工精度和精度保持性，解决了传统工艺生产的机床铸件刚性差，加工精度低，精度保持性差的问题，为生产高精度机床铸件提供了稳定的生产工艺。本发明生产工艺简单，操作方便，过程可控，产品质量稳定，是改善石墨形态和提高机床灰铸铁件质量的有效方法。

技术特征：
1.一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，在中频感应电炉内腔中，自下而上依次逐层添加铸造用生铁、石墨化增碳剂、预处理剂、碳素废钢和回炉料，熔化成铁液，按照成分控制要求调整合格的原铁液，使原铁液的碳当量为3.70～3.75wt%；在铁液出铁和浇注过程中分别添加不同粒度的一次sisrzr孕育剂和二次sisrzr孕育剂进行强化孕育处理，其中：出铁过程中加入0.3～0.4wt%的一次sisrzr孕育剂，粒度为0.7～3mm；浇注过程中加入0.1～0.15 wt%的二次sisrzr孕育剂，粒度为0.2～0.7mm。2.按照权利要求1所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，在熔化原铁液所使用的炉料中，铸造用生铁的加入量为5～10wt%，其中p≤0.06wt%，cr≤0.05wt%，ti＜0.10wt%，表面无锈蚀；石墨化增碳剂的粒度在10mm以下，其中s≤0.02wt%，n≤0.02wt%；碳素废钢的加入量为60～70wt%，无锈蚀；回炉料的加入量为20～30wt%，表面需经过抛丸处理。3.按照权利要求1所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，预处理剂的加入量为0.1～0.3wt%，粒度在10mm以下，其成分要求为：si62.00～69.00wt%，al3.00～5.00wt%，zr3.00～5.00wt%，ca0.60～1.90wt%，fe余量。4.按照权利要求1至3之一所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，通过中频感应电炉将全部炉料按照配比熔化成铁液，在熔化过程中，清除炉内已熔化铁液表面浮渣后，再继续添加炉料，保证熔化后铁液表面干净，并检测和调整铁液成分；按重量百分比计，原铁液的成分如下：c3.20～3.25%，si1.40～1.50%，mn0.80～0.90%，p＜0.040%，s0.08～0.10%，cr0.20～0.25%，ti＜0.05%，al＜0.03%，pb＜0.005%，b＜0.005%，fe余量。5.按照权利要求4所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，原铁液温度升温至1510～1530℃，保温8～10min净化处理后，除去表面浮渣，待温度降低至1500℃以下出铁至浇注包。6.按照权利要求5所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，向浇注包内加入0.6～0.8wt%的电解cu和0.03～0.05wt%的sn，并向孕育斗中添加粒度为0.7～3mm的一次sisrzr孕育剂，孕育斗的位置位于出铁口与浇注包之间的铁流上方；出铁重量达到1/4时，开始孕育处理，孕育处理时，一次sisrzr孕育剂通过孕育斗匀速地滴落到铁流上，保证至出铁重量3/4时，全部滴完。7.按照权利要求6所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，铁液出铁完成后，将浇注包内一次孕育后铁液表面浮渣清除干净，用覆盖剂盖住一次孕育后铁液表面。8.按照权利要求7所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，将浇注包转运至浇注区，向孕育斗中添加粒度为0.2～0.7mm的二次sisrzr孕育剂，孕育斗的位置位于包嘴与浇口杯之间的铁流上方；清除一次孕育后铁液表面的覆盖剂，一次孕育后铁液温度控制在1360～1400℃，温度合格后开始浇注。9.按照权利要求8所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，在整个浇注过程中，二次sisrzr孕育剂通过孕育斗均匀地滴落到铁流上，同时出铁孕育时间到浇注完成时间控制在15min内。10.按照权利要求6或8所述的改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺，其特征在于，
sisrzr孕育剂成分要求为：si73.00～78.00wt%，sr0.60～1.00wt%，zr1.00～1.50wt%，al＜0.50wt%，ca＜0.10wt%，fe余量。

技术总结
本发明涉及机床铸件铸造熔炼技术领域，特别是一种改善机床灰铸铁件石墨形态的铸造工艺。在中频感应电炉内腔中，自下而上依次逐层添加铸造用生铁、石墨化增碳剂、预处理剂、碳素废钢和回炉料，熔化成铁液，按照成分控制要求调整合格的原铁液，在出铁和浇注过程中分别添加不同粒度的一次SiSrZr孕育剂和二次SiSrZr孕育剂进行强化孕育，增加石墨核心和改善石墨形态，减少D型和E型石墨的产生，增加A型石墨形态数量，使铸件具备较高的刚性和良好的减震性能，进而提高机床铸件加工精度和精度保持性。本发明解决传统工艺生产的机床铸件刚性差，加工精度低，精度保持性差的问题，适用于高精度机床灰铸铁件石墨形态的改善。机床灰铸铁件石墨形态的改善。机床灰铸铁件石墨形态的改善。


技术研发人员：王强 邢剑 薄玉发 李春荣 冷玉国 刘国庆 李鑫 刘鸿达 王恒 张笑征 张兆宇 刘振生
受保护的技术使用者：沈阳机床银丰铸造有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/5