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百铸网提高机床铸件质量是发展我国数控机床的基础 马敬仲一、机床工业在国民经济中的地位1.国民经济发展的基础性产业，是国民经济发展的发动机2.国防军工发展的战略性产业 3.高新技术发展的载体 4.国家培育的新兴战略产业之一 5.国家竞争力的重要标致之一世界机床产业技术竞争日趋剧烈，专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。 西方工业发达国家一直以多种方式实行贸易限制和技术封锁： “巴统”的禁运政策-1999年的美国考克斯报告-美国国会“限制高技术机床出口”的法案- 2007年6月，美国开始实施的对华高科技产品出口管制条例中，增加了高精度转台、五轴精密加工中心、高仿真系统等军工及高技术产业专用装备的出口限制。 日本经济产业省（原通产省）限制向中国出口高精度、复合加工 、五轴联动以上的高性能数控机床和五轴联动高档数控系统等 产品。 2010年9月14日我国机床协会在美国芝加哥国际机床展览会上召开了新闻发布会，报告了我国各行业对机床需求的情况。 表1 我国各行业对机床需求的情况行业市 场 需 求机 床 需 求汽车2009年，汽车产销双双超过1300万辆；2010年上半年汽车产量892.73万辆，同比增长48.84%；2010年上半年汽车销量901.61万辆，同比增长47.67%根据汽车工业调整与振兴计划，评估机床有350亿元/年的市场汽车行业是机床消费的主题；对汽车发动机、变速器、转向系统、制动系统、传动系统、悬挂系统等汽车零部件加工皆需诸多机床产品电力目前我国发电装置容量8亿KW，排名世界第二；至2010年6月底，核电在建23台，占世界在建57台机组的40%，预计2015年，我国投入运行的发电装机总量将达到12.6亿KW，将居世界第一随着核电、风电等清洁能源的投资力度加大，对大型铸件、环形本体（如汽轮机壳体、大型平面加工和半圆体加工；对叶片、叶根的加工；对各种泵体、泵阀的加工等，都对重型立车，大型落地铣镗床，超重型的龙门镗铣床，五轴联动机床，数控拉床及各种高档的立式、卧式加工中心的数量与质量有更高的需求）船舶2010年1月至6月，中国造船完工量，新接的订单量与手持订单量等分别占世界市场份额的41.1%、46.2%和37.7%，其中造船完工量同比增长86.7%，新接船舶订单量为2009年同期的4倍；预计全年造船完工量将达到5500万载重吨对大中型、通用型数控机床数量需求增长；对船舶用主要关键件，如大功率中低速柴油机铸件曲轴、大型船用 螺旋桨等加工机床需求增长航空中航工业2009年营业收入1910亿元，同比增长14.4%；大型飞机项目在3-5年内将投入600亿元，相关投入总体上将达到2000亿元，相当于三峡工程的总投资随着大飞机项目的实施，对新材料、高技术复合材料的加工更加困难；一架大型飞机由300万-500万个零件组成，目前的航空工业对机床的要求几乎涵盖了对机床的多品种、大规格、高精度、高刚度等所有的要求铁路在“十一”规划中，2010年中国铁路运营里程为9万公里。而2008年就已达到8万公里。铁道部最新的投资计划是，2010年投资7000亿元，当年运营9.2万公里；2011年投资7500亿元，当年运营为10万公里，2012年投资7000亿元，当年运营11万公里铁路的高速、提速、重载、大功率牵引和电气化将需要更多的各类机床，尤其是特性化高效率专用机床市场需求增加其他随着中国经济转型方式及调控政策的深入，纺织机械，矿山机械，工程机械，农业机械各领域机床的数量、品种有更多的需求加工各领域零部件所需的金切机床，成形机床等皆有新的需求二、我国机床工业的发展近10年来，我国机床行业取得了举足轻重的发展，2009年我国生产的金属切削机床约58万台，生产成形机床约21万台，机床生产量排名世界第一，机床消费量也连续8年世界第一。2011年，金属加工机床产量已突破100万台，仍是世界最大的机床生产国。重要的是，我国经济发展的各领域都在进行深度调整与升级改造，皆迫切需要高效、精密机床的支持，中高档数控机床则成为市场的主流。自2011年起，国家统计局定义规模以上企业，由年度产品销售收入500万元以上调整为2000万元以上。故2011年12月机床工具行业统计为企业个数为4385家，比2010年少2000家，即使以4385个企业计，2011年机床工具工业总产值为6606.5亿元。同比增长仍高达32.1%。表2表5为我国机床发展的状况。 表2 表3 表4 表5图1图6显示了我国部分重型机床发展的状况 图1 图2 图3 图4 图5 图6三、我国机床铸件生产中的问题与差距长期以来，我国的机床铸件的材质是灰铸铁，并已制订了灰铸铁的标准。为什么机床行业还要制订机床铸件的行业标准呢？这是因为作为工作母机的机床对铸件有着特殊的要求：（1）高的抗拉强度（2）高的弹性模数（3）良好的导轨耐磨性（4）优良的尺寸稳定性（5）良好的减震性（6）较好的加工性（7）好的铸造性能（8）较高的尺寸精度与表面光洁度。机床铸件的这些性能直接影响着机床质量。我国的机床质量与世界水平还有相当差距。这个可从我国机床的进出口得情况反映出来。我国的机床生产数量虽是世界第一，但我国机床进口占世界机床进口的23%，即机床进口也是世界第一。尤其是在高档数控机床方面，还挡不住进口。在机床出口方面差距更大，世界机床主要生产国的机床出口与生产机床的比重为50%以上。如德国、美国、日本、意大利、中国台湾、瑞士等。比重低于50%的有7个国家，是俄罗斯、墨西哥、韩国、巴西、加拿大、中国与印度。中国排倒数第二，如表6所示。这与机床的水平与质量有关。表6 机床出口占生产机床比重低于50%的国家国别俄罗斯墨西哥韩国巴西加拿大中国印度机床出口/生产机床46%41%40%32%25%17%4%排序1234567影响机床质量，尤其是数控机床质量的因素是多方面的，占机床重量70-80%的机床铸件质量是重要因素之一。曾对国内有影响的11家机床生产厂的调查表明，随着我国数控机床的发展，数控机床对机床铸件的质量要求日益提高。国内机床铸件存在的问题与差距见表7 表7 国内机床铸件存在的问题与差距 项目 存在的问题 原因分析铸件强度1、国内机床铸件强度的提高是在较大幅度降低碳当量下达到的。因此，在生产HT300,HT350时，因收缩增加导致的缩松，因铸造应力的增加引起的变形，因硬度增加导致加工性能的恶化是生产高牌号机床铸件经常发生的问题2、国内外的差距见下表1、在调查中，将缩松，变形列为有生产难度的企业占36%-45%。一些企业将缩松、变形、尺寸精度稳定性列为最需要解决的问题之一2、在灰铸铁中，铸铁的力学性能与铸造性能是相互矛盾的。高碳当量，高强度是机床铸件的发展方向，这是国内存在的最大差距，目前我国大部分机床铸造厂仍在低碳当量、高强度的水平上徘徊薄壁化1、我国机床的重量较国外一般重8%-10%，机床铸件主要壁厚也大于国外2、国外中等机床铸件的主要壁厚已达14MM-25MM，小型机床已达8-12MM1、国内的低碳当高强度灰铸铁是实现薄壁化及机床轻量化的最大障碍2、在调查中，在“现代机床的发展中使机床铸件那些方面要求提高了”一栏中，填写“薄壁化”的企业占72%尺寸精度稳定性1、低碳当量高强度的灰铸铁导致了内应力的增加。碳当量越低，内应力越高，变形也越大2、在调查中，认为机床铸件高强度、高刚度与低应力矛盾是难题的企业占81%低碳当量，低Si/C比是造成内应力增加的重要原因之一，见下图。减振性近50年来，机床的加工精度提高了100倍，发达国家的机床已进入亚微米，纳米级的水平，再加上强力切削，高速切削的发展皆对机床铸件的减震性有较高的要求同强度下，高碳当量的灰铸铁较低碳当量的减振性优越，因为片状石墨在应力下产生的微观塑性变形与位错，加速了振动的衰减，较多的石墨有利于减振性的提高 加工性能低碳当量高强度灰铸铁使机床铸件加工性能的恶化，认为高强度与切削性能协调是生产难题的企业占45%1、在同强度下，具有较低的硬度是加工性能要求的，但在低碳当量高强度下是难以达到的2、硬度与切削性能有着密切的关系，见下表硬度（HBW）160190190220220240240加工性能易切削切削顺利可加工难加工3、切削性能还与铸铁的冶金质量有关 大型 化 1、重型机床的发展使机床铸件大型化，生产40T-140T的重型铸件日益增多。调查中认为“现代机床对机床铸件的那些要求提高了”一栏中，填写“大型化”的企业占72%2、因生产大断面、大吨位铸件导致强度低、硬度低、截面敏感性差、组织不均匀等问题时有发生1、为防止大断面，大吨位机床铸件冷却缓慢造成强度与硬度的降低，往往大幅度降低碳当量，从而导致缩松、内应力增加，薄壁处渗碳体增多，易产生裂纹等倾向的产生2、试棒性能与本体性能相差甚远，试棒合格，但本体石墨粗大，性能下降3、导轨组织不均匀，导致淬火后硬度不均，并产生微裂纹4、大型铸件一般不易轻易报废，焊补、修补工作量大，回用品增多，质量下降消除铸造应力的时效处理1、 在调查的企业中，采用热时效的企业占70%，振动时效的占20%，自然时效的占10%2、 在时效过程中，时效不到位，时效流于形式，甚至增加新的应力，时有发生热时效后产生断裂的现象1、用热时效时，清除铸造应力的升温速度，保温温度，降温速度关系密切。执行的不到位往往事倍功半2、退火窑内的温度差应为20，温差过大导致铸造应力的增加3、工件在退火窑中的摆放方式，放置位置与消除应力关系密切，执行不到位，效果适得其反球墨铸铁材质1、随着大型数控机床的发展，球墨铸铁机床件量急剧增加。该材质在增加机床铸件强度，刚度的效果显著。但因球墨铸铁件制造的特殊性，带来了缩松，杂渣，球化衰退等一些列问题2、机床的球墨铸铁件往往是重型大件，重量常达40t-140t故存在大断面球铁的种种问题1、目前生产40T-140T的球墨铸铁机床建日益增多。全国生产大吨位，大断面的球墨铸铁件几乎皆集中在机床行业中2、大断面球墨铸铁铸铁件产生的球化衰退，组织反常，石墨球数减少，形状畸变及球化稳定性等问题时有发生弹性模量与铸造应力检国内企业未列入内控指标弹性模量是机床铸件材质的重要性能指标，但在最近的调查中，仅有个别企业进行测试，而铸造应力的测试几乎处于停止状态四、提高机床铸件质量是一个系列的成套技术，过程控制是关键 目前机床铸件大部分仍为灰铸铁，国内外实践证明，高碳当量，高强度灰铸铁是灰铸铁的发展方向， 它是灰铸铁在高强度下获得低的铸造应力，良好的加工性能，良好的铸造性能的重要途径，是这三方面达到综合平衡的重要措施。但是，在高碳当量下获得高强度不是一个简单的成分调整，而是牢牢抓住从原材料、配料、熔炼、合金化、孕育浇注、时效等各个环节。尤其要提高灰铸铁的冶金质量，它是生产高碳当量，高强度的基础。生产高碳当量、高强度灰铸铁机床铸件的主要途径1、铁液熔炼温度要达到15001550，国内采用冲天炉的企业存在下列问题：（1）铁液温度与国外先进国家有较大差距铁液温度（冲天炉）国内外冲天炉铁液温度对比牌号HT250HT300HT350铁液温度（）国外1480-15201510-15401520-1550国内1400-14301430-14501450-1480（2）不少采用冲天炉的企业不采用热风，也不采用铸造焦（3）焦耗与铁液温度的关系始终未摆正，见表9表9为日本与国内冲天炉焦耗量比较牌号国别HT250HT300HT350焦耗（%）日本12-1514-1715-18国内10-12.5（4）不检测渣中FeO，国外FeO3%，国内58%（5）熔炼过程中，底焦高度稳定性差，铁液温度波动大，成分波动大国别%波动Si% Mn% 波动国外0.10.2国内0.20.3国内不少企业已采用电炉熔炼，但为了“省电”，铁液温度也未达到1500以上。大量实践证明，15001550的铁液温度具有提高强度，降低硬度，改善加工性能，净化铁液，提高冶金质量的作用，它是高碳当量、高强度灰铸铁的基础。美国球铁协会指出曾对1528的铁液检测，铁液中的氧化杂渣大幅度降低日本试验指出，铁液温度1510时铁液中的SiO2含量显著下降，国内进口的35T/h热风冲天炉铁液温度15001540，渣中FeO2%,铸件加工性能显著改善，刀具损耗降低20%。对机床铸件生产业调查统计，铁液温度1500企业的灰铸铁，其抗拉强度高于1450企业灰铸铁。11个机床铸件生产企业的统计，铁液温度与抗拉强度的关系铸铁牌号抗拉强度（Mpa）HT250HT300HT350铁液温度1480-15002913373891450283330376铁液温度与冶金质量 铁液温度与冶金质量 铸铁牌号 铁液温度1480-1510 铁液温度1450的数据成熟度硬化度品质系数成熟度硬化度品质系数HT2500.940.881.070.870.841.01HT3001.010.891.140.900.821.07HT3501.130.851.330.960.831.1日本5个铸造厂的铁液温度与浇注温度工厂名称 吉田铸工所 池贝铸工 东芝机械 丰田工机 东海铸造株式社会 株式社会 株式社会 株式社会出炉温度/ 1510 1520-1550 1510 1480-1510 1510-1550浇注温度/ 1420-1380 1410-1370 中件1380-1400 平均 1370 1420-1370大件1350-1370 曾焦耗15.6%-15.0%，固定曾焦耗15.2%冲天炉焦耗（%） 总焦耗18.8% 碳94%，焦炭块150-200mm 废品率（%） 3 0.9 铸铁种类 生产密烘铸件（FC25 FC30 FC35）与球墨铸铁生产高碳当量、高强度灰铸铁、铁液温度是首要指标。目前国内外机床铸件碳当量对比内外机床铸件碳当量对比（均值）牌号HT250HT300HT350碳当量均值（%）国外3.953.823.76国内3.753.553.452、高碳当量、高强度机床铸件的化学成分中除了要求高碳当量外其Si/C比要达到0.55-0.6机床铸件的化学成分（质量分数%）牌号CSiMnPSHT2503.25-3.351.85-2.10.8-6-0.10HT3003.15-3.251.80-2.00.8-6-0.10HT3503.10-3.201.75-1.950.8-6-0.103、高碳当量、高强度灰铸铁的配料原则是高废钢配比+增碳的工艺或合成铸铁。高碳当量、高强度灰铸铁配料铸铁牌号配比%回炉料备注废钢新生铁必须与高温、增C、合金化及强化孕育相配合电炉冲天炉HT25045-551010-20其余HT30055-70510-15其余HT35065-8055-10其余国外采用合成铸铁配料比较普遍，实践证明高废钢配比的配料其通过渗碳而形成的石墨，更细小、更均匀、品质好，在同碳当量下强度高，在同强度下碳当量高。4、微量合金化微量合金是高碳当量、高强度灰铸铁中不可缺失的措施常加合金元素为Cu、Cr、Sb、Sn，使用常以Cu、Cr组合，Cu、Sb组合，Cu、Sn组合。国外主要机床铸件加入合金包规范化，Cu0.40.6%，Cr0.20.4%，也有加Ni、Cr、Mo的。加入合金的作用是：增加奥氏体、增加珠光体、细化珠光体、强化铁素体、细化石墨、细化共晶团，改善截面敏感性。5、强化孕育环节目前不少企业存在的问题是孕育不到位，孕育效果检验欠缺及孕育衰退不能有效地防止。孕育存在的问题与改进项目企业中存在的问题防止与改进孕育剂的准备1、 孕育剂粒度选择不规范；2、 开放式存放，因氧化吸潮，导致孕育剂失效；3、 使用前未能有效烘烤1、 孕育剂粒度选择（mm）出铁槽或包内孕育铁液（kg）60603003008008002000200010000粒度0.228410830人工墮流0.30.7机器墮流0.10.52、 应封闭存放，使用当日打开；3、 使用前应进行400左右烘烤，尤其是潮湿季节。孕育效果检测1、 有的企业没有炉前孕育效果的在线检测，激冷检验或热分析皆不具备。2、 金相组织中游离渗碳体、过冷石墨、A型石墨，共品团数检测不健全。1、炉前的光谱分析检测，碳当量的热分析不能代替孕育效果的检测。企业应具备孕育前后的激冷检测与孕育前后过冷度的热分析检测。用孕育前后的白口比或过冷度比来检验。2、除试棒检测石墨与基体外，应抽检铸件本体薄处的渗碳体检测及厚部A型石墨与珠光体的检测。3、增加共晶团数的检测孕育方法的应用1、 目前企业中重视孕育剂的程度远胜于孕育方法2、 瞬时孕育的应用是解决结晶核心少、孕育量大及孕育衰退 最有力的措施。1、 应采用出铁槽孕育与瞬时孕育相结合的复合孕育方式；2、加孕育剂时必须做到出铁或浇注时间的。必须避免“一倒了事”的误操作。3、浇注中，大件时可在浇口盆底部固定好孕育块，实行浇口盆的孕育块孕育。需要指出的是，从低碳当量、高强度灰铸铁到高碳当量、高强度灰铸铁，是铸铁材质一个质的提升。不仅要一个系列的成套技术与过程