浅谈机床类灰铸铁件化学成分的选择

浅谈机床类灰铸铁件化学成分的选择
梁学亮，魏永强
（陕西秦川机床工具集团有限公司铸造厂技术科，721009）
摘要机床类灰铸铁件有着高于其它灰铸铁件的性能要求，生产中应该在确保配料中废钢比例的基础上，合理选择铁水的化学成分，规范的加料、熔化操作，才能保证生产出符合质量要求的机床类灰铸铁件。

关键词机床类灰铸铁件性能要求废钢比例
机床类灰铸铁件除了要满足国家标准GB/T9497-2010外，还要满足机械行业标准JB/T3997-94，这是因为作为工作母机的机床对其铸件还要有着特殊的要求，这就是：1.较高的抗压强度与抗拉强度；
2.良好的精度稳定性；
3.高的弹性模量；
4.良好的耐磨性；
5.较好的减震性；
6.良好的切削性能；
7.良好的铸造性能；
8.较好的尺寸精度和表面光洁度[1]。

而对于灰铸铁而言，在配料不变、原材料成分稳定、加料称量准确的前提下，化学成分决定铸件的金相组织，金相组织决定铸件的性能，由此可见，机床类灰铸铁件化学成分的选择就尤为重要。

下面就机床类灰铸铁件的配料和化学成分的选择谈一些自己看法。

1．配料
配料可以说是所有合金熔炼的基础。

举一个极端的例子来说明，两种配料，一种是全部用生铁熔化出ωC为3.20%的铁水（在中频电炉熔炼条件下，在春节长假期间，需要给炉内加生铁，连续几天烘炉以防止水冷系统冷却水结冻（北方），这样的情况下，全部用生铁熔化出ωC为3.20%的铁水）；还有一种就是完全用普通碳素钢类废钢加增碳剂熔化出ωC为3.20%的铁水，在其它元素含量类似情况下，那一种铁水浇铸出的铸件更好呢？
在灰铸铁熔炼中，废钢在配料中的比例很大程度上决定了铸件的性能。

这里，我提一下炉料的遗传性，在一些资料中，提到炉料的遗传性，更多的谈到新生铁对铁水的不利影响；其实，炉料的遗传性含义应该是很广的，它应该是指所有炉料对铁水、铸件的影响，除了生铁，还有废钢、回炉铁、铁合金、增碳剂、增硫剂、碳化硅等等，都会给铁水带来自己独特的影响。

生产机床类灰铸铁件，尤其是机床类五大件床身、立柱、工作台、主轴箱、滑座时，根据我们的生产经验，配料中废钢的比例不应低于45%，生铁的比例不应高于20%。

如果工厂的回炉铁足够多，能够满足生产平衡，也可以不使用生铁，而采用废钢+回炉铁+加增碳剂的配料方式生产（电炉熔炼）。

2．化学成分的选择
2.1碳
作为铸铁中几乎含量最高的非金属元素，碳对铸铁性能的影响毫无疑问是第一位的。

为了满足上文提到的机床类铸件的8种要求，综合考虑，机床类灰铸铁件碳的选择范围为2.90~3.30%，铸件牌号越高，导轨越厚实，选取范围中的较低值，反之，选取较高值；又以3.10~3.20%作为机床类灰铸铁件碳的最佳选择范围（生产中碳的检测以光谱仪或热分析仪为准，化学分析法因为钻取试样石墨的丢失，测量结果会有较大的偏差）。

2.2硅
硅和碳是同主族元素，因此，在铸铁中的作用比较相似。

灰铸铁中硅的来源主要是炉内加硅铁和出铁及浇注时孕育这两部分。

虽然各厂的情况不尽相同，但是终铁水的硅过低或多高，都会对铸件的性能产生不利的影响，导致不能满足上文提到的8种要求，因此对于机床类灰铸铁件，比较适宜的硅的含量为1.6~1.9%，铸件牌号越高，导轨越厚实，选取范围中的较低值，反之，选取较高值；
2.3锰
锰作为五大元素中唯一的金属元素，在铸铁中起着不可替代的作用。

由于锰有增加并细化珠光体的作用，所以适当提高锰的含量会提高铸件的强度和硬度，在机床类灰铸铁件中，比较适宜的锰的含量为0.8~1.2%，铸件牌号越高，导轨越厚实，,选取范围中的较高值，反之，选取较低值。

2.4硫和磷
硫和磷应该算是铸铁中的控制元素。

随着电炉熔炼的普及，人们对硫的作用有了更深刻地认识，在灰铸铁中，硫的含量并不是越低越好，硫过分低，铁水中的高熔点硫化物偏少，形核核心就少，炉前处理效果就较差，铸件性能可能就比较差。

对于电炉熔炼，硫比较适宜的成分为0.06~0.08%，必要时，采用增硫剂增硫；对于冲天炉熔炼，硫比较适宜的成分为0.06~0.10%.
铸铁中的磷主要来自于炉料，要想控制磷的含量，就必须控制每一种原材料中磷的含量，比如控制锰铁中磷的含量。

由于机床类灰铸铁件都是有致密性要求的铸件，所以磷的含量需低于0.06%[2]。

2.5铬
铬是灰铸铁生产中使用最广泛的合金元素，它是强的碳化物稳定元素，增加白口倾向，稳定渗碳体[2]，所以，灰铸铁中加入铬，可以提高铸件的硬度，提高耐磨性[2]。

在机床类灰铸铁中，铬一般的加入量为0.15~0.35%，铸件牌号越高，导轨越厚实，选取范围中的较高值，反之，选取较低值。

如果在炉前加入，铬铁的粒度最好控制在10mm以内，出铁温度不应低于1480℃，确保铬铁的充分吸收。

另外由于铬是较强的碳化物形成元素[3]，容易在加工表面形成硬质点，影响加工，所以日本和韩国客户不允许在机床类灰铸铁件中加铬。

2.6铜
铜在铸铁中能稳定珠光体[2]。

在合金元素中，铜应该是比较温和的合金元素，副作用比较小。

在机床类灰铸铁件中，铜一般的加入量为0.3~0.5%。

2.7锡
锡是强的碳化物稳定元素，它能增加碳化物，消除铁素体。

有资料认为，灰铸铁加锡后，石墨组织得到改善，呈中等片状的A型分布，从而使机械性能得到很大的提高。

珠光体数量的增加细化，使铸铁的工作表面的耐磨性提高。

在机床类灰铸铁件，锡的加入量一般为0.02~0.05%。

2.8锑
锑是强烈促进形成珠光体元素，促进珠光体生成的能力是锡的2倍[2]，从这一点看，可以说锑是提高铸件硬度的“特效药”，但是必须谨慎使用，由于锑没有细化晶粒和组织的作用，所以加工后加锑铸件的表面光洁度较差，虽然硬度可能并不低；而且加工后与加工前比较，硬度下降比较明显，甚至会达到20~30HBS。

在机床类灰铸铁件，锑的加入量一般为0.02~0.04%。

3.结论
机床类灰铸铁件有着更高的性能要求，为生产出合格的铸件，合理的配料是基础，配料中必须确保足够的废钢比例；合适的成分选择是关键，除了五大元素，适当辅以必要的合金元素；稳定、准确的加料，规范的熔化操作是保障。

也只有这样，才能生产出成分稳定、性能合格、符合质量要求的机床类灰铸铁件。

[1] 马敬仲数控机床的高速发展与机床铸件标准铸造行业系列会议—机床铸件篇论文集2007
[2] 张伯明铸造手册.铸铁第3版机械工业出版社2011
[3] 陆文华铸铁及其熔炼机械工业出版社1981。