1、百鑄網高碳當量、高強度、高剛度、低應力是高端數控精密機床鑄件的發展方向目前我國機床鑄件質量的現狀與發展馬敬仲 李克銳（1原北京機床一廠，北京；2鄭州機械研究所，450001）眾所周知，我國機床行業在近十幾年來已有舉足輕重眾所周知，我國機床行業在近十幾年來已有舉足輕重的發展，生產機床與工具的企業有的發展，生產機床與工具的企業有40004000余家。各類型的余家。各類型的切削加工機床產量已超過切削加工機床產量已超過100100萬臺，機床鑄件達萬臺，機床鑄件達350350萬萬t t，居世界第一位。其差距是高端的數控機床擋不住進口，居世界第一位。其差距是高端的數控機床擋不住進口，以美國、日本為首的工業

2、發達國家對我國中、高端的數以美國、日本為首的工業發達國家對我國中、高端的數控機床的進行封鎖。控機床的進行封鎖。“20072007年年6 6月，美國開始實施的月，美國開始實施的對華高科技產品出口管制條例對華高科技產品出口管制條例中，增加了高精度轉中，增加了高精度轉臺、五軸精密加工中心、高仿真系統等軍工及高技術產臺、五軸精密加工中心、高仿真系統等軍工及高技術產業專用裝備的出口限制。日本經濟產業省（原通產省）業專用裝備的出口限制。日本經濟產業省（原通產省）限制向中國出口高精度、復合加工限制向中國出口高精度、復合加工 、五軸聯動以上的高、五軸聯動以上的高性能數控機床和五軸聯動高檔數控系統等性能數控機床

3、和五軸聯動高檔數控系統等 產品。產品。 ”為了生產出高端的數控機床的精度與精度保持性，機床行業在北京建立了超精密機床工程技術研究中心。在成都成立了精密工具工程技術研究中心。在湖南建立了超硬材料及制品工程技術研究中心。在沈陽建立了高檔數控工程研究中心。并進行了多科目的科學研究與攻關。如“納米級加工技術及設備”，“機床工藝造型設計技術”，“虛擬軸機床技術”，“磁懸浮軸承高速主軸單元”等。但占機床重量80%以上且對機床性能有重要影響的機床鑄件，與冷加工的研究相比，有較大差距。2012年，國家下達了“高檔數控機床用鑄鐵床身精度保持成套技術研究”課題，以提高數控機床鑄件的質量。在金屬切削機床灰鑄鐵件技術

4、條件中規定，以力學性能為驗收的依據，化學成分不作為驗收依據。如用戶需要可在合同中另訂。長期以來，這項規定在我國不少機床鑄件生產廠造成認識上的誤區：既然以力學性能為驗收標準，而化學成分不作為驗收標準，那么，以降低碳當量的措施達到高強度，則是最易實現的。長期以來由于我國機床鑄件的高強度是在低碳長期以來由于我國機床鑄件的高強度是在低碳當量下取得的，它對機床性能的負面影響很大，當量下取得的，它對機床性能的負面影響很大，低碳當量、高強度產生的問題是：收縮大，導致縮孔、縮松傾向增加；收縮大，導致縮孔、縮松傾向增加；殘余應力大，導致尺寸精度穩定性差，開裂傾殘余應力大，導致尺寸精度穩定性差，開裂傾向增大；向增

5、大；流動性差，限制了鑄件薄壁化；流動性差，限制了鑄件薄壁化；加工性能差，導致切削速度的降低與力具壽命加工性能差，導致切削速度的降低與力具壽命的下降；的下降；減震性差，導致加工精度與精度穩定性的降低；減震性差，導致加工精度與精度穩定性的降低；質量穩定性差，這是因為低碳當量導致的上述質量穩定性差，這是因為低碳當量導致的上述問題在生產中反復出現，此長彼消，質量難以穩問題在生產中反復出現，此長彼消，質量難以穩定。在定。在20142014年中對國內具有代表性的機床生產年中對國內具有代表性的機床生產企業調查表明，用戶反饋意見中占第一位是質量企業調查表明，用戶反饋意見中占第一位是質量不穩定。不穩定。百鑄網一

6、、一、提高高端數控精密機床鑄件質量的核心是高碳當量、高強度、高剛度與低應力;近近5050年來，機床的精度已提高了年來，機床的精度已提高了100100倍，已進入倍，已進入亞微米級及納米級超精加工時代。高精度與精度亞微米級及納米級超精加工時代。高精度與精度的保持性是數控機床質量的首要指標。的保持性是數控機床質量的首要指標。1 1、機床精度與機床鑄件的剛性及減震性；、機床精度與機床鑄件的剛性及減震性；精度是指被加工零件能達到的加工精度。因為目前高檔數控機床已進入航空航天、兵器、核工業、電子技術、船舶等軍工領域。重型、超重型數控機床已進入大型電站設備、石化冶金設備、汽車制造等。這些高精度、高速切削、強

7、力切削的數控機床對機床鑄件的剛度與減震性提出了更高的要求：航天航空、核工業、兵器、發電設備所需各種特殊性能的合金材料加工時又“粘”又“硬”，故要求機床與機床鑄件具有足夠的抗變形能力，即使在高速、強力切削下仍能保持高精度。從使用角度上看，機床鑄件的剛性比強度更為重要：實踐與計算表明，即使最大的切削力，機床鑄件的強度仍有較大的安全系數，但卻會出現由于剛性差、抗變形的能力及減震性差而失去加工精度。因此高端數控精密機因此高端數控精密機床在高速切削、強力切削下，機床鑄件必須具有較高的剛性與優床在高速切削、強力切削下，機床鑄件必須具有較高的剛性與優良的減震性。良的減震性。百鑄網現代數控機床中主要受力的機床

8、件，往往不是按強度設計的，大部分是按剛性設計的。提高機床鑄件剛性的措施來自兩個方面：一個是提高鑄件的結構剛性，這就是機床件向雙層壁、多層壁結構發展，形成機床件薄壁化，結構日益復雜的重要原因。另一項措施是提高機床鑄件的材質剛性，即彈性模量，而彈性模量的高低主要取決于抗拉強度，見表1。因此現代的高端數控機床鑄件皆采用了高強度灰鑄鐵HT300、HT350及高強度、高剛度球墨鑄鐵材質。類別類別灰鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵抗拉強度抗拉強度(MPa)(MPa)155155185185215215265265310310355355400400400-650400-650彈性模量彈性模量（GPaGPa）10

9、3.5103.5111.7111.7120.0120.0129.7129.7137.9137.9141.4141.4144.8144.8160-180160-180表-1 鑄鐵的強度與彈性模量保持加工時的高精度的另一因素是機床鑄件必須具備優良的減震性。值得提出的是，在減震性能中，灰鑄鐵的減震性優于球墨鑄鐵，而灰鑄鐵中，碳當量高的減震性又優于低碳當量者。由圖1可知，高碳當量、低強度灰鑄鐵吸震率高，其次是低碳當量、高強度灰鑄鐵、球墨鑄鐵次于灰鑄鐵，碳鋼最低，這也是機床件大部分是灰鑄鐵的原因。長期以來，機床件的高剛度、高強度與要求優良的減震性的要求難以統一。前者要求低碳當量，后者要求高碳當量，因此高

10、端精密機床的精度要求其因此高端精密機床的精度要求其機床件，既要有強有力的抗變形能力的材質剛性，機床件，既要有強有力的抗變形能力的材質剛性，又要有優良的減震性，這就要求碳當量與高強度、又要有優良的減震性，這就要求碳當量與高強度、高剛度在一個新的高度上達到平衡。即在高碳當量高剛度在一個新的高度上達到平衡。即在高碳當量下達到高強度、高剛度。下達到高強度、高剛度。圖1 減震與強度2、 機床精度保持性與機床鑄件的殘余應力機床精度保持性是高端數控機床的最重要的質量指標，機床精度保持性是高端數控機床的最重要的質量指標，目前我國與國外還有相當大的差距。目前我國與國外還有相當大的差距。國內數控機床的國內數控機床

11、的精度保持性約為一年，而國外可達五年。這是精度保持性約為一年，而國外可達五年。這是我國數控機床進口量為世界第一的原因之一。我國數控機床進口量為世界第一的原因之一。鑄件中的殘余應力對鑄件的尺寸精度穩定性的影響是很大的。高精度的機床在加工中，引起塑性的，高精度的機床在加工中，引起塑性的，不可逆的變形有三個因素：工作負荷、材料剛不可逆的變形有三個因素：工作負荷、材料剛度、殘余應力。這三者中殘余應力最為危險，度、殘余應力。這三者中殘余應力最為危險，因為其應力往往大于工作負荷，且它是持續的，因為其應力往往大于工作負荷，且它是持續的，不間斷的。不間斷的。圖2中a)為未經熱時效的機床鑄件，殘余應力較大，鑄件

12、變形大。圖2中b)為經過熱時效后的機床鑄件，殘余應力較小，鑄件變形較小。圖圖-2 a)-2 a)為未熱時效鑄件為未熱時效鑄件 b)b)為經熱時效消除殘余應力為經熱時效消除殘余應力60%60%的鑄件的鑄件圖2 鑄件是否經熱時效與變形的關系在灰鑄件中，殘余應力是與其強度及碳當量有著密切的關系，它隨碳當量的降低而增大，見圖-3。隨抗拉強度的增大而增大。見圖-4圖圖-3 -3 碳當量對鑄造應力的影響碳當量對鑄造應力的影響 圖圖-4 -4 抗拉強度對鑄造應力的影響抗拉強度對鑄造應力的影響因此，在相當長的一段時間，我國機床件的低碳當量、高強度所帶來較高的高殘余應力一直未能得到很好的解決。一些國外用戶購買我

13、國機床鑄件后往往堆放半年或一年后再用，進行自然時效，降低與釋放殘余應力。因因此，既要高剛度，又要低應力，則高碳當量、高強度是此，既要高剛度，又要低應力，則高碳當量、高強度是實現其最主要的途徑。實現其最主要的途徑。3 3、機床鑄件的高強度與加工性能、機床鑄件的高強度與加工性能高精度的機床鑄件，大部分都是用數控加工中心機床進行加工的。目前主軸轉速從每分鐘幾千轉，到幾萬轉，甚至達十幾萬轉。切削速度大幅度提高，每臺數控中心皆有幾百把刀具，換刀速度從十幾秒到十秒、三秒，甚至達一秒。因此要求機床鑄件有優良的切削性能，而現在的問題是低碳當量，不僅帶來了鑄鐵的高強度，還帶來了高硬度，見表-2。導致了加工性能的

14、惡化，見表-3。抗拉強度（MPa）200240350380硬度（HBW）163207255315硬度（HBW）160-190190-220220-240240切削性能易切削切削順利可加工加工困難表表-2 -2 灰鑄鐵的強度與硬度灰鑄鐵的強度與硬度加工性能與硬度的關系，見表-3。表-3 硬度與灰鑄鐵的加工性能德國企業中，常用試棒上抗拉強度與硬度之比的德國企業中，常用試棒上抗拉強度與硬度之比的mm值值來初步表征切削性能的來初步表征切削性能的優劣，在同樣的強度下，在同樣的強度下，mm位越位越高，加工性能優良，見表高，加工性能優良，見表-4.-4.表表-4 -4 灰鑄鐵切削性能的表征（灰鑄鐵切削性能的

15、表征（m=m=HBWRM）( (德國德國) )鑄鐵牌號GG20GG25GG30GG35加工性能指標（m= ）0.95-1.181.04-1.391.15-1.501.25-1.67硬度抗拉強度在灰鑄鐵的冶金指標中，硬化度(HG)就是衡量加工性能優劣的一個指標：正常硬度鑄態試棒硬度344Sc530HBW實測 HG= = （當（當HBWHBW186186時）時）或 =744Sc930HBW實測（當HBW186時）由公式可知，共晶度Sc越高，硬度越低，因此在保持高強度的同時采取措施提高碳當量，才能降低硬度，即只有在高強度、即只有在高強度、高碳當量下才能較好的改善加工性能。高碳當量下才能較好的改善加工

16、性能。4 4、機床鑄件的碳當量與鑄件薄壁化及縮松缺陷；、機床鑄件的碳當量與鑄件薄壁化及縮松缺陷；在達到HT300力學性能下，其所含的碳當量不同，鑄造性能中的鐵液流動性與鑄鐵的收縮相差甚大。表5為不同碳當量下的鐵液流動性；表6為不同碳當量下的收縮性，因機床鑄件一般皆為亞共晶鑄鐵，因此碳當量越低，流動性越差，收縮越大。碳當量CE （%）4.0 4.2 4.3 4.5流動性（1400）螺旋線長度（mm)500 680 780 720表表-5 -5 灰鑄鐵碳當量與鐵液的流動性灰鑄鐵碳當量與鐵液的流動性 表表-6 -6 灰鑄鐵碳當量與鑄鐵的凝固收縮灰鑄鐵碳當量與鑄鐵的凝固收縮及殘余應力碳當量CE（%）縮

17、松相對容積（%）體收縮率（%）4.050.572.804.080.643.224.020.642.983.760.763.33碳當量CE（%）3.503.563.703.733.9自由收縮率（%）1.351.301.251.201.15表表-7 -7 灰鑄鐵灰鑄鐵 碳當量與鑄鐵的固態收縮（鑄件壁厚碳當量與鑄鐵的固態收縮（鑄件壁厚20mm20mm）由以上表可知，要使機床鑄件薄壁化，減少縮松、縮孔缺陷，必須在高強度下提高碳當量。目前國外的機床比我國機床重量輕810%。中型機床壁厚已達1420 mm。小型機床件壁厚已達812 mm。低碳當量、高強度灰鑄件已是實現薄壁化的嚴重障礙及造成縮松的重要原因。

18、因此綜合因素充分說明高碳當量、高強度、高剛度、低應力是我國高端數控機床鑄件的發展方向。百鑄網二、我國機床鑄件質量的現狀與發展方向；二、我國機床鑄件質量的現狀與發展方向；為了研究我國機床鑄件材質的狀況，在2012年“現代鑄鐵”雜志與鄭州機械研究所分別在2012年及2014年作了二次調查，其結果給了我們許多重要啟示百鑄網1 1、碳當量與強度、碳當量與強度機床鑄件在相同的強度下，碳當量高低是衡量材質優劣的重要標志。根據調查結果，我國機床鑄件尚處在中、低碳當量、高強度階段，僅有少數機床鑄件廠已接近高碳當量、高強度材質的水平，但仍有相當距離。表8為第一次的調查結果。由表8可知，在同樣強度下，國內機床件的

19、碳當量遠低于國外同牌號的碳當量。2014年的全國機床件調查，著重調查了HT300材質的機床件，調查比較嚴謹，要統計連續60爐次的數據，表9中的數據是連續60爐次的平均值，表10為兩次調查HT300材質碳當量的對比。鑄鐵牌號HT250HT300HT350國外機床鑄件的碳當量CE（%）平均值3.953.833.76國內11家機床鑄件生產廠的機床鑄件碳當量CE（%）平均值3.753.603.48各廠值HT2503.673.783.733.773.533.593.653.643.50/3.58HT3003.903.753.663.773.673.653.503.70/3.55/HT3503.783.6

20、03.82/3.513.473.73/3.263.333.67/表表-8 2012-8 2012年調查的機床鑄件碳當量的國內外對比年調查的機床鑄件碳當量的國內外對比表-9 2014年調查的機床鑄件碳當量（HT300）鑄鐵牌號HT300國內13家機床鑄件生產廠的機床鑄件碳當量CE（%）平均值3.68各廠的60爐次的平均值3.673.673.743.573.733.663.643.763.723.593.683.723.67表表-10 -10 國內機床鑄件國內機床鑄件HT300HT300材質的碳當量材質的碳當量碳當量CE（%）3.47-3.593.64-3.683.70-3.762009年機床鑄件

21、調查（11個企業）均值3.523.52均值3.653.65均值3.713.71廠家比例廠家比例廠家比例5/1145.5%45.5%4/1136.3%36.3%2/1118.2%18.2%2014年機床鑄件調查（13個企業60爐次的平均值均值3.583.58均值3.673.67均值3.733.732/1315.4%15.4%6/1346.2%46.2%5/1338.4%38.4%表表-9-9與表與表-10-10說明，在近二、三年內，材質的質量說明，在近二、三年內，材質的質量有所進步。以有所進步。以HT300HT300為例，碳當量為例，碳當量3.60%3.60%的企業，的企業，由由45.5%45.

22、5%降至降至15.4%15.4%。碳當量。碳當量3.64-3.68%3.64-3.68%的企業，的企業，由由36.3%36.3%升至升至46.2%46.2%。碳當量為。碳當量為3.70-3.76%3.70-3.76%的企業，的企業，由由18.2%18.2%升至升至38.4%38.4%。碳當量整體平均值也由。碳當量整體平均值也由3.60%3.60%提至提至3.67%3.67%。但是與國際先進國家。但是與國際先進國家HT300HT300材質碳當量材質碳當量3.83%3.83%相比，還有相當差距。因此，在相比，還有相當差距。因此，在20142014年的機年的機床鑄件調查中，與此有關的問題仍然很突出，

23、表床鑄件調查中，與此有關的問題仍然很突出，表-11-11為就高端數控機床對機床鑄件要求中突出的問題所進為就高端數控機床對機床鑄件要求中突出的問題所進行的調查調查；行的調查調查；表表-11 -11 高端數控機床對鑄件要求中的突出問題（高端數控機床對鑄件要求中的突出問題（20142014年調查）年調查）項目薄壁化高強度、高剛度與殘余應力的矛盾尺寸穩定性高強度與切削性能矛盾大型化導軌耐磨13家機床鑄件生產廠的調查廠家10/138/137/135/134/131/13比例77%77%62%62%54%54%42%42%30%30%7.6%7.6%由表11可知，各企業對機床鑄件薄壁化；高各企業對機床鑄件

24、薄壁化；高強度、低應力；尺寸穩定性；切削性能等問題強度、低應力；尺寸穩定性；切削性能等問題在高端機床鑄件要求中占前四位。而這四個問在高端機床鑄件要求中占前四位。而這四個問題皆與碳當量有關，說明碳當量越低，這四類題皆與碳當量有關，說明碳當量越低，這四類問題越嚴重。問題越嚴重。在生產精密機床鑄件中，對那一項難度最大的調查中，選擇結構復雜的企業占71%，位居第一。說明數控機床的剛性要求提高，不僅要高的材質剛性，還要對鑄件的結構進行改進，實行雙層壁、多層壁，形成結構復雜的鑄件，這給企業的機床鑄造帶來了困難(見表12)。表表-1 2 -1 2 在生產高端數控機床鑄件中難度最大的問題調查在生產高端數控機床

25、鑄件中難度最大的問題調查項目結構復雜易變形縮松夾渣薄壁大斷面性能不合格14家機床鑄件生產的調查廠家10775331比例71%50%50%36%21%21%7%由表12可知，在調查的企業中，力學性能不合格僅占極少數，而由于在高強度下的低碳當量造成的復雜結構下的充型困難；殘余應力增大而造成的變形；收縮大造成的縮松；等問題仍占前三位。調查表明：對13家機床鑄件生產企業連續60爐次的統計表明，沒有一家企業的力學性能是不合格的，差距是達到大于300MPa強度下的低碳當量 (見表13)。表表-13 13-13 13家企業機床鑄件的強度與碳當量（家企業機床鑄件的強度與碳當量（6060爐次平均值）爐次平均值）

26、企業編號12345678910111213碳當量（%） 3.673.673.743.573.733.663.643.763.723.593.683.723.67抗拉強度（MPa）325355320365.7337339309.83113283193323423302 2、碳當量與殘余應力；、碳當量與殘余應力；鄭州機械研究所實驗表明：無論是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵鄭州機械研究所實驗表明：無論是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵，低碳當量是產生高殘余應力的主要原因，提高碳當量則，低碳當量是產生高殘余應力的主要原因，提高碳當量則可有效地降低殘余應力，見表可有效地降低殘余應力，見表-14-14。表-14 灰鑄鐵與球墨鑄鐵碳

27、當量對殘余應力的影響類別編號碳當量CE(%)抗拉強度（MPa）彈性模量（GPa）應力框中最大的殘余應力（MPa）灰鑄鐵13.2135711489.923.8832212934.3球墨鑄鐵34.23443161108.844.4470517688.1由表14可知：提高強度，可有效地提高彈性模數，但其殘余應力有所上升但在滿足強度要求下，提高碳當量則可有效地降低殘余應力，減小變形，提高尺寸穩定性；球墨鑄鐵的殘余應力雖高，但彈性模數高，抗變形能力增大，有利于減小變形；表14中2號灰鑄鐵的強度低于1號灰鑄鐵，而彈性模數卻高于1號灰鑄鐵，其原因是在灰鑄鐵中彈性模量不僅與抗拉強度有關，還與成分中的含金化有關

28、，2號灰鑄鐵高時由于加料合金的原因，表15.為1、2號灰鑄鐵的化學成分。表表-15 -15 灰鑄鐵的合金化高碳當量下課保持高強度彈性模數灰鑄鐵的合金化高碳當量下課保持高強度彈性模數式樣化學成分%力學性能CECSiCuSnCr抗拉強度（MPa）HBW彈性模數（GPa）1#灰鑄鐵3.212.691.50/3572291142#灰鑄鐵3.883.251.8800.670.0290.342322215129表14、表15表明，只要采取有力措施，對HT300灰鑄鐵時可以實現較高碳當量（3.72%）、高強度（Rm=322MPa）、高剛性（E=129GPa），低應力（殘余應力34.3MPa）的。這組試驗也與

29、日本機床鑄件廠HT300的碳當量相符，見表16。表表-16 -16 日本日本FC30FC30的化學成分的化學成分項目CE%化學成分CSiMnPSCuCrFC303.823.15-3.251.80-2.000.8-1.20.120.120.4-0.60.2-0.4上世紀上世紀8080年代，我國機床鑄件的殘余應力約為年代，我國機床鑄件的殘余應力約為30MPa100MPa30MPa100MPa。目前鄭州機械研究所對全國一些具。目前鄭州機械研究所對全國一些具有代表性機床鑄件廠進行現場測試，機床鑄件的殘余應有代表性機床鑄件廠進行現場測試，機床鑄件的殘余應力約為力約為70MPa150MPa70MPa150

30、MPa，其主要原因是其材質由，其主要原因是其材質由HT200HT200、HT250HT250已升至已升至HT300HT300、HT350HT350。另一原因就。另一原因就是是HT300HT300、HT350HT350是在較低碳當量下獲得的。是在較低碳當量下獲得的。試驗證明，要達到高剛度、低應力，采用高碳當量，試驗證明，要達到高剛度、低應力，采用高碳當量，高強度是合理的途徑。高強度是合理的途徑。3 3、碳當量與彈性模數；、碳當量與彈性模數；眾所周知，彈性模數隨碳當量CE或石墨的增加而降低，見圖5。最近國內共享集團的試驗也有相應的實驗結果（見表17）。圖圖-5 -5 石墨量對彈性模量的影響石墨量對

31、彈性模量的影響表表-17 -17 碳當量對彈性模數的影響碳當量對彈性模數的影響爐次碳當量CE（%）化學成分（%）Si/C性能CSi抗拉強度（MPa）彈性模數（MPa）13.753.201.650.52270100.323.743.181.710.54325104.233.733.151.740.55350104.943.713.121.790.57325108.053.683.111.720.55350114.763.673.081.760.60325110.473.663.081.730.56305114.583.653.071.740.57340117.893.623.051.710.56

32、340119.1103.603.031.720.57290118.6113.553.011.610.53330122.1在相同碳當量下如何提高彈性模數，共享集團做了有益的搜索，即采用合成鑄鐵，提高Si/C，比合金化皆有利于彈性模數的提高，見表18。表-18 提高灰鑄鐵彈性模數的若干措施上述試驗證明，采用提高上述試驗證明，采用提高Si/CSi/C比，采用合成比，采用合成鑄鐵，微量合金化是可提高彈性模量的，但仍鑄鐵，微量合金化是可提高彈性模量的，但仍有兩點尚可改進：一是未測殘余應力，二是在有兩點尚可改進：一是未測殘余應力，二是在較底碳當量較底碳當量3.65%3.65%下獲得。如果在高碳當量下下獲得

33、。如果在高碳當量下獲得高彈性模量及低的殘余應力，效果則更好。獲得高彈性模量及低的殘余應力，效果則更好。4 4、碳當量與強度、碳當量與強度及及硬度；硬度；低碳當量、高強度帶來的后果之一就是硬度高，切削性低碳當量、高強度帶來的后果之一就是硬度高，切削性能下降，能下降，20142014年的機床鑄件調查表明，在年的機床鑄件調查表明，在1515家企業中家企業中4 4個個企業為例，碳當量對硬度有著重要影響，見表企業為例，碳當量對硬度有著重要影響，見表-19-19。表表-19 -19 碳當量對強度、硬度、加工性能的影響（碳當量對強度、硬度、加工性能的影響（4 4個企業個企業6060爐次的平均值爐次的平均值）

34、類別企業編號碳當量CE（%）化學成分%力學性能加工性能m值CSiCuCr抗拉強度（MPa）硬度（HBW）強度/硬度低CE4#3.573.011.700.72/3652641.3810#3.593.011.760.40.33192441.30高CE8#3.763.131.903111961.589#3.723.131.730.33281921.70由表可知，4#與10#企業的低碳當量、高強度灰鑄鐵加劇了硬度的提高。達到244264HBW，導致加工性能指數m的降低，惡化了加工性能。而8#、9#企業具有較高碳當量，硬度僅為192 HBW、196 HBW，m值為1.581.70，遠高于4#、10#企業

35、的1.301.38。對9#企業調查表明，其國外用戶反映，該企業的機床鑄件加工性能良好，且在較高CE下，也很少發生縮裂。因此，調查表明在高碳當量、高強度下獲得較低的硬度與良好的加工性能是十分有效的。5 5、機床鑄件材質與冶金質量；、機床鑄件材質與冶金質量；（1 1）要求成熟度）要求成熟度RGRG1 1RGRG1 1，表明在同樣強度下，碳當量（或共晶度），表明在同樣強度下，碳當量（或共晶度）高。導致鑄鐵收縮小、流動性好、殘余應力低高。導致鑄鐵收縮小、流動性好、殘余應力低（2 2）要求硬化度）要求硬化度HGHG1 ( HG= )1 ( HG= ) HG1，表明在同樣強度下，碳當量（或共晶度）高、硬度

36、低，加工性能優良。表20為2014年機床鑄件中材質冶金質量的調查。ScHBW344530）硬度（表表-20 HT300-20 HT300機床鑄件材質的冶金質量機床鑄件材質的冶金質量（60爐次的平均值）類別企業編號碳當量CE(%)共晶度力學性能成熟度（RG）硬化度（HG）品質系數（Qi）抗拉強度（MPa）硬度（HBW）低CE43.57C:3.01%、SI:1.70%0.813652641.041.050.99103.59C:3.01%、Si:1.9%0.823192440.930.980.94高CE83.76C:3.13%、Si:1.9%0.863111960.9960.841.1893.72C

37、:3.13%、Si:1.73%0.853281921.020.801.27由表可知，低碳當量、高強度、高硬度的由表可知，低碳當量、高強度、高硬度的4 4# #、5 5# #企業的冶金質量企業的冶金質量基本上不合格。基本上不合格。4 4# #的成熟度雖為的成熟度雖為1.041.04，但是它是在高硬度下得到，但是它是在高硬度下得到，其硬化度不合格，為其硬化度不合格，為1.051.05。所以它的品質系數未能達到合格。說明。所以它的品質系數未能達到合格。說明它抗拉強度有富余，完全可以適當提高它抗拉強度有富余，完全可以適當提高CECE，適當降低強度與硬度，適當降低強度與硬度，提高冶金質量。而提高冶金質量

38、。而1010# #企業基本上屬于低碳當量、高強度、冶金質量企業基本上屬于低碳當量、高強度、冶金質量較差。較差。8 8# #、9 9# #企業，冶金質量優良，品質系數達到企業，冶金質量優良，品質系數達到1.181.271.181.27，尤，尤其是其是9 9# #企業，國外用戶反映良好，抗拉強度高，平均企業，國外用戶反映良好，抗拉強度高，平均328Mpa328Mpa，硬，硬度低，平均度低，平均190HBW190HBW，加工性能，鑄造性能好，很少發生縮孔、縮，加工性能，鑄造性能好，很少發生縮孔、縮裂。在裂。在20142014年調查中，殘余應力也是最低的，這與年調查中，殘余應力也是最低的，這與9 9#

39、 #企業鑄鐵高企業鑄鐵高CECE，優良的冶金質量是分不開的。，優良的冶金質量是分不開的。6 6、鐵液溫度的調查；、鐵液溫度的調查；20142014年機床鑄件生產的鐵液溫度與機床鑄件生產的鐵液溫度與20122012年相比有了明顯的提高年相比有了明顯的提高，見表，見表21.21.表表-21 -21 機床鑄件廠鐵液溫度的調查機床鑄件廠鐵液溫度的調查2012年2014年參加調查企業11家1500-1512 4家 占36%1480 2家 占18%1410-1450 5家 占46%參加調查企業13家1480-1550 8家 占62%1480 3家 占23%1420-1440 2家 占15%高溫低氧化的優質

40、鐵液是保證高碳當量、高強度灰鑄鐵冶金質量高溫低氧化的優質鐵液是保證高碳當量、高強度灰鑄鐵冶金質量的重要基礎。的重要基礎。7、廢鋼配比的調查；、廢鋼配比的調查；廢鋼配比是保證高碳當量、高強度灰鑄鐵的重要措施之一。表廢鋼配比是保證高碳當量、高強度灰鑄鐵的重要措施之一。表-22-22為二次調查的結果。為二次調查的結果。表表-22 HT300-22 HT300材質機床鑄件的廢鋼配比調查材質機床鑄件的廢鋼配比調查項目2012年2014年參加調查的企業10家12家廢鋼配比60%80% 2家 占20%50% 3家 占30%40%45% 3家 占30%30%34% 2家 占20%100% 1家 占8%60%

41、2家 占17%50%55% 7家 占58%20%43% 2家 占17%20142014年在年在1212家機床件生產企業的調查中，家機床件生產企業的調查中，HT300HT300材質的廢鋼配材質的廢鋼配比為比為50%50%以上的企業占以上的企業占83%83%，與，與20142014年的僅有年的僅有50%50%的企業相比，的企業相比，有相當的提高。相當的提高。百鑄網三、提高高端數控機床鑄件質量的關鍵技術；三、提高高端數控機床鑄件質量的關鍵技術；1 1、推薦的化學成分，見表、推薦的化學成分，見表-23.-23.表表-23 -23 高端數控機床鑄件的化學成分高端數控機床鑄件的化學成分類別平均碳當量化學成

42、分（%）合金（%）CSiMnPSCuCr其他HT2503.953.25-3.351.85-2.050.8-1.20.120.06-0.120.4-0.60.2-0.4HT3003.833.15-3.251.80-2.001.0-1.30.120.06-0.120.4-0.60.2-0.3Cu、SnHT3503.763.10-3.201.75-1.951.1-1.40.120.06-0.120.4-0.60.2-0.3生產控制時，重要的是成分的波動值要小，生產控制時，重要的是成分的波動值要小，C C要達到士要達到士0.05%0.05%，SiSi、MnMn要達到士要達到士0.10%0.10%。合金

43、要在目標值內。合金要在目標值內。百鑄網2 2、推薦的配料比例，見表、推薦的配料比例，見表-24.-24.表表-24 -24 高端數控機床鑄件的配料高端數控機床鑄件的配料類別配料比例（%）廢鋼回爐料新生鐵HT25050-5540-4510HT30060-7035-405HT35070-8020-300控制的關鍵是把高廢鋼比、高滲碳、高鐵液過熱溫度進行統一控控制的關鍵是把高廢鋼比、高滲碳、高鐵液過熱溫度進行統一控制，缺一不可。制，缺一不可。3 3、過熱溫度與靜置，見表、過熱溫度與靜置，見表-25-25.表表-25 -25 鑄鐵的過熱溫度（鑄鐵的過熱溫度（）類別HT250HT300HT350靜置時間

44、過熱溫度（）1480-15001510-15401520-1550710min4 4、推薦的、推薦的Si/CSi/C比；比；HT250HT250、HT300HT300、HT350HT350材質可將材質可將Si/CSi/C控制在控制在0.58-0.58-0.630.63的范圍內。的范圍內。5 5、孕育劑與孕育工藝；、孕育劑與孕育工藝；孕育劑：可采用75Si Fe或Si Ba Ca孕育劑，保存時要注意封閉保存，防止吸潮氧化。使用前進行250300的預熱處理。孕育方式：可采用出鐵槽孕育+隨流孕育，或倒包孕育+隨流孕育，防止孕育衰退。6 6、澆注溫度；、澆注溫度；適當提高澆注溫度是必要的，雖然澆注溫度

45、提適當提高澆注溫度是必要的，雖然澆注溫度提高后液態收縮加大，需要加強補澆補縮，但有利高后液態收縮加大，需要加強補澆補縮，但有利消除夾渣與氣孔。表消除夾渣與氣孔。表-26-26為日本企業的澆注溫度為日本企業的澆注溫度。表-26 日本鑄造企業的鐵液溫度工廠名稱吉田鑄工所池貝鑄工東芝機械豐田工機車海鑄造出爐溫度（）15101520-155015101480-15101510-1550澆注溫度（）1420-13801410-1370中體1380-1400大體1350-1370平均13701420-13707 7、爐前控制；、爐前控制；（1 1）要有孕育前后的三角白口深度控制，雖很傳統，）要有孕育前后的

46、三角白口深度控制，雖很傳統，但實用、方便，對爐前的操作技術人員與工人的快速判但實用、方便，對爐前的操作技術人員與工人的快速判斷十分有利。如果將三角白口大小與孕育效果，全相組斷十分有利。如果將三角白口大小與孕育效果，全相組織，熱分析曲線及力學性能等相聯系則有利于鑄鐵質量織，熱分析曲線及力學性能等相聯系則有利于鑄鐵質量的在線控制。的在線控制。（2）熱分析曲線分析，用孕育前后的過冷度比控制孕育效果，該方法已在德國應用，并與冶金質量指標、共晶團數、彈性模數建立關系。目前機床鑄件的熱分析工作，合肥工業大學、清華大學都作了大量工作，希望能盡快在工廠中應用。8 8、彈性模量與殘余應力的測試工作；、彈性模量與

47、殘余應力的測試工作；表表-27-27為推薦的機床鑄件材質的彈性模數與殘余應力為推薦的機床鑄件材質的彈性模數與殘余應力表表-27 -27 高端數控機床鑄件灰鑄鐵材質的彈性模量與殘余應力高端數控機床鑄件灰鑄鐵材質的彈性模量與殘余應力類別彈性模量（Gpa）殘余應力（Mpa）應該密烘公司國內退火前退火后HT2501201104020HT3001351255020HT3501451356020彈性模數與殘余應力是高端數控機床鑄件材質的重要彈性模數與殘余應力是高端數控機床鑄件材質的重要指標，而高碳當量、高強度是實現高剛度、低應力的途指標，而高碳當量、高強度是實現高剛度、低應力的途徑。碳當量、抗拉強度、彈性

48、模數、殘余應力這四個數徑。碳當量、抗拉強度、彈性模數、殘余應力這四個數據的監測及數值高低，代表著高端數控機床鑄件的質量據的監測及數值高低，代表著高端數控機床鑄件的質量與水平。與水平。9 9、打箱溫度與殘余應力；、打箱溫度與殘余應力；檢測表明，打箱溫度與殘余應力有著重要影響，見表檢測表明，打箱溫度與殘余應力有著重要影響，見表-28-28。表表-28 -28 打箱溫度對殘余應力的影響打箱溫度對殘余應力的影響項目打箱溫度（）500200殘余應力（Mpa）70.256.5注：殘余應力系指式樣中最大的殘余應力。注：殘余應力系指式樣中最大的殘余應力。1010、熱時效與殘余應力、熱時效與殘余應力為了最大限度

49、的檢測熱時效的效果，對應力框試樣采用了下列為了最大限度的檢測熱時效的效果，對應力框試樣采用了下列工藝，見表工藝，見表-29.-29.表表-29 -29 熱時效工藝熱時效工藝熱時效工藝退火溫度升溫速度保溫時間降溫速度爐溫溫差工藝參數59030/h4h30/h士5熱時效結果見表熱時效結果見表-30-30表表-30 -30 熱時效對消除殘余應力的影響熱時效對消除殘余應力的影響類別灰鑄鐵球墨鑄鐵時效前時效后降低應力時效前時效后降低應力殘余應力（Mpa）34.319.942%88.126.370.1%目前不少企業目前不少企業20t140t20t140t以上的大型機床件往往實行地坑保溫工以上的大型機床件往

50、往實行地坑保溫工藝，則保溫時間應以鑄件的出坑溫度為準，以藝，則保溫時間應以鑄件的出坑溫度為準，以280280為宜。為宜。在在20142014年的調查只中，一些企業的熱時效流于形式，效果甚微。年的調查只中，一些企業的熱時效流于形式，效果甚微。為了提高熱時效降低殘余應力的效果，應注意熱時效表為了提高熱時效降低殘余應力的效果，應注意熱時效表-31-31中的事項。中的事項。表表-31 -31 機床鑄件熱時效操作重點機床鑄件熱時效操作重點項目操作重點升溫速度在3080/h支架，大型與復雜機床件在3050/h范圍內，某廠9m工作臺升溫速度100/h，導致斷裂退火溫度HT250為500550，HT300、H

51、T350為550590保溫時間保溫時間按每小時熱透25mm計算，如壁厚75mm則保溫3h，大型及復雜件再加1h降溫速度應為30/h爐內鑄件支撐合理500600時，鑄件強度、彈性模量皆有下降，極易變形。故要做好鑄件支撐，工作臺要側放，長型件要多點支承，鑄件間隙應大于100mm，保持爐氣暢通爐內溫度控制溫差應控制在20以內。一些企業往往因為爐溫差過大，導致熱時效后殘余應力不降反升熱時效秩序熱時效應在粗加工之后關于自然時效要注意的兩個問題是：關于自然時效要注意的兩個問題是：一是自然時效的時間一定要在一是自然時效的時間一定要在6 6個月以上。研究表明，個月以上。研究表明，達到達到6 6個月才能使殘余應