CN118374765A - 一种高刚度低应力的机床铸铁的制造方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种离子渗金属工艺，具体用于铸铁工件的制造提高其强度降低其应力。本申请采用双层辉光等离子体渗金属工艺，在含碳气体气氛下进行Mo的渗透，提高了铸铁的硬度、抗拉强度和弹性模量，同时残余应力得到了降低。
Description
技术领域
本申请涉及一种离子渗金属工艺，具体用于铸铁工件的制造以提高其强度降低其应力。
背景技术
液态金属在冷却时因为温度的降低会产生不同程度的液固收缩，特别是合金发生固相转变会伴随铸件体积的变化。如果这些体积变化受到外界的阻碍或铸件内部之间相互制约，就会在铸件中产生附加应力，这就是所谓的铸造应力。残余应力是指铸件在去掉外部载荷后仍残留在铸件内部的应力。而铸造残余应力则是指铸件在铸造完成后，铸件冷却至室温且不经过任何热处理的情况下，其内部仍残留的应力。铸造残余应力一般分为宏观残余应力与微观残余应力。铸件在凝固过程中不均匀的体积变化以及外部约束导致了宏观残余应力。铸件内部的残余应力往往会对机械加工和随后的装配使用带来不利的影响，对零件的强度、疲劳极限、刚度和尺寸精度等产生影响导致零件的工作状态变差，降低零件的使用寿命；残余应力带来的后果有时不会立即显现，而是在零件进一步加工或服役时各种应力的叠加，当总应力超过材料的强度极限，出现断裂现象。
发明内容
本申请提供一种高刚度低应力的机床铸铁制造方法及获得的铸铁在机床中的应用。
本发明中铸铁铸造原材料有：Q10生铁、45#钢、75硅铁、钼铁、钒铁、稀土镁合金球化剂。球化剂的加入量为1.3％，75硅铁作为孕育剂，一次孕育采用包底孕育，加入量为1.2％，颗粒度为4～10mm，将温度控制在1500～1550℃出炉。采用包底冲入法进行球化孕育处理，将浇包从电阻炉中拿出后，将一次孕育剂以及球化剂倒入浇包底部。在铁液倒入浇包后再将二次孕育剂倒在铁液表面，然后将珍珠岩集渣剂均匀覆盖在铁液表面进行集渣并扒渣，扒渣后浇铸。每包浇铸壁厚为25mm的机床部件试块，浇铸完成后，冷却3个小时。铸铁成分为(按质量百分数计)：C 3.8％，S i 2.7％，Mo 0.3％，Mn 0.5％，Mg＜0.04％，P＜0.04％，S＜0.01％，余量为Fe。
浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。
Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。
开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；
打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；
打开甲烷进气阀，调节气流量为30-40sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30-35Pa，
打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压450-550V，源极电压800-900V，处理温度：900-1000℃，渗Mo保温时间6h；
处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；
双层辉光等离子体渗金属技术主要原理是利用气体的辉光放电现象，在装置中设置一个由渗合金元素构成的源极。这个源极和阳极之间设有直流电源并且其间可以产生辉光放电现象。利用辉光放电现象所形成的氩离子，轰击源极材料表面，使欲渗合金元素被溅射出来，经沉枳和扩散在工件表面形成具有特定物理化学性能的合金层。
本申请采用双层辉光等离子体渗金属工艺，在含碳气体气氛下进行Mo的渗透，提高了铸铁的硬度、抗拉强度和弹性模量，同时残余应力得到了降低。
本申请制备得到的铸铁件，碳当量为3.8％，具有较高的抗拉强度和硬度，同时残余应力得到了降低，弹性模量提升。由于在渗金属过程中添加有含碳气氛，表层碳含量得到了进一步加强，硬度提高。本申请中铸态铸铁中的大部分石墨球均比较圆整且均匀度较好，同时还存在少量畸形石墨，随着Mo含量增加石墨球数量略微减少，同时圆形石墨球数量略微减少，畸形石墨球数量略微增加，Mo元素为强碳化物形成元素，偏析的倾向强，在球状石墨生成后，影响石墨球的形态，Mo原子会与碳原子形成碳化物，这种情况会消耗组织中的碳原子，使得最终组织的石墨球数量减少，在偏析的作用下各个方向的成长不均匀，从而导致了石墨球发生畸变。畸变的石墨球能够有效提高铸铁的抗拉强度和弹性模量。
Mo元素能够降低奥氏体共析反应温度，增加奥氏体向珠光体和铁素体转变时间，提升的珠光体的析出，并且Mo元素为强碳化物形成元素，加入Mo元素增大了碳化钼形核的驱动力，提高晶界上碳化物形核，碳化物提供了铁素体和渗碳体形核核心，促进珠光体含量上升。Mo元素能够增大冷却时的过冷度，促进形核发生，Mo含量越高过冷度越大，形核率越高，晶粒尺寸越小。同时，随着Mo含量的增加，基体中碳化物的数量会增加，在奥氏体中析出更多的碳化物能够增加铁素体形核率，从而使铁素体的晶粒尺寸减小。珠光体为硬脆相，其对球墨铸铁的强度有明显增强的作用。
由于采用等离子体金属渗透作用，渗层横截面硬度出现梯度变化，因而应力集中大大降低，减少脆裂倾向，提高覆层抗冲击能力。此外本申请中渗金属在900-1000℃下进行，处理时间延长至6h，在促进Mo渗透扩散的同时，获得了与热时效相同的降低残余经历的效果。
具体实施方式
实施例1：
本发明中铸铁铸造原材料有：Q10生铁、45#钢、75硅铁、钼铁、钒铁、稀土镁合金球化剂。球化剂的加入量为1.3％，75硅铁作为孕育剂，一次孕育采用包底孕育，加入量为1.2％，颗粒度为8mm，将温度控制在1550℃出炉。采用包底冲入法进行球化孕育处理，将浇包从电阻炉中拿出后，将一次孕育剂以及球化剂倒入浇包底部。在铁液倒入浇包后再将二次孕育剂倒在铁液表面，然后将珍珠岩集渣剂均匀覆盖在铁液表面进行集渣并扒渣，扒渣后浇铸。每包浇铸壁厚为25mm的机床部件试块，浇铸完成后，冷却3个小时。铸铁成分为(按质量百分数计)：C 3.8％，S i 2.7％，Mo 0.3％，Mn 0.5％，Mg 0.02％，P 0.02％，S0.005％，余量为Fe。
浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为40sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压35Pa，打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压500V，源极电压850V，处理温度：1000℃，渗Mo保温时间6h；处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出。
按GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法进行，沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂的伸长，在整个过程中，测量施加在试样上载荷，可计算出抗拉强度值。硬度的测试方法是按GB/T231.2-2002金属布氏硬度试验的方法进行。弹性模量参照GB/T22315-2008进行测试，残余应力参照GB/T31310-2014进行测试。
实施例2：
浇铸工艺与实施例1相同，浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为30sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30Pa，打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压550V，源极电压900V，处理温度：900℃，渗Mo保温时间6h；处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；随后参照实施例1进行测试。
对比例1：
浇铸工艺与实施例1相同，浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开氩气瓶阀门，炉内通入氩气至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为30sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30Pa，打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压550V，源极电压900V，处理温度：900℃，渗Mo保温时间6h；处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；随后参照实施例1进行测试。
对比例2：
浇铸工艺与实施例1相同，浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为30sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30Pa，打处理温度：900℃，保温时间6h；反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；随后参照实施例1进行测试。
对比例3：
浇铸工艺与实施例1相同，浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为30sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30Pa，打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压550V，源极电压900V，处理温度：800℃，渗Mo保温时间6h；处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；随后参照实施例1进行测试。
对比例4：
浇铸工艺与实施例1相同，浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为30sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30Pa，打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压550V，源极电压900V，处理温度：900℃，渗Mo保温时间5h；处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；随后参照实施例1进行测试。
对比例5：
浇铸工艺与实施例1相同，浇铸后得到的试样用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗20min，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥。清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉。Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材，用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目后，浸入酒精中进行超声波清洗30min，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉。开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；打开甲烷进气阀，调节气流量为30sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30Pa，打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压550V，源极电压900V，处理温度：1100℃，渗Mo保温时间6h；处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出；随后参照实施例1进行测试。
表1测试结果
Claims (10)
1.一种高刚度低应力的机床铸铁的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
浇铸后得到的铸铁用金相砂纸由粗至细逐级打磨，放至在装有丙酮或酒精的容器中进行超声波清洗，取出后用干净纱布擦拭洁净干燥，清洗后的铸铁放入双层辉光等离子渗金属炉；
Mo靶材用砂纸由粗至细逐级打磨后，浸入酒精中进行超声波清洗，保证表面纯净，清洗后放入双层辉光等离子渗金属炉；
开启循环水，机械泵，将炉内环境气压抽至10-1Pa以下；
打开甲烷瓶阀门，炉内通入甲烷至500Pa后将进气流量值调至零，开启机械泵，再次抽真空至10-1Pa以下，此步骤重复2次；
打开甲烷进气阀，调节气流量为30-40sccm，使炉内进气量与抽气量保持平衡，保持气压30-35Pa，
打开双辉炉上的源极、工件极电压调节开关按钮，缓慢调节工件极电压450-550V，源极电压800-900V，处理温度：900-1000℃，渗Mo保温时间6h；
处理结束后将工件、源极电压缓慢降为零，反应完成后随炉冷却，待冷却至室温后取出。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，铸件浇铸控制在1500～1550℃。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，铸铁成分为(按质量百分数计)：C3.8％，Si 2.7％，Mo 0.3％，Mn 0.5％，Mg＜0.04％，P＜0.04％，S＜0.01％，余量为Fe。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，浇铸后得到的铸铁用金相砂纸由粗至细逐级打磨至2000目。
5.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，Mo靶材为通过冷喷涂工艺制备得到的靶材。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mo靶材用砂纸由粗至细逐级打磨至1800目。
7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，浇铸进行超声波清洗20min。
8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mo靶材进行超声波清洗30min。
9.一种如权利要求1-8所述的制造方法制备得到的高刚度低应力的机床铸铁。
10.如权利要求9所述的高刚度低应力的机床铸铁在机床领域的应用。
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| CN108570655A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-09-25 | 太原理工大学 | 一种自支撑纳米金刚石厚膜的制备方法 |
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-
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Denomination of invention: Manufacturing method and application of high stiffness and low stress machine tool cast iron Granted publication date: 20241018 Pledgee: China Construction Bank Corporation Yuxi Branch Pledgor: Yuxi Jinfu Intelligent Equipment Co.,Ltd. Registration number: Y2024980050179 |