高強(qiáng)灰鑄鐵切削加工性能的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

范曉明，譚 聰，雷亞會，蔡坤山，王修強(qiáng)，李漢均

（1.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070；2.湖北三環(huán)鑄造股份有限公司，湖北隨州 441300）

灰鑄鐵鑄造成形性優(yōu)異、減磨減震性好，成本低廉，在汽車、冶金等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1,2]。迄今為止，隨著灰鑄鐵鑄件的基體強(qiáng)度的提高，許多汽車的某些工件（如大型載重汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、制動(dòng)鼓等）的選用材料仍以高強(qiáng)灰鐵為主，其市場前景廣闊[3]。但是，灰鑄鐵力學(xué)性能的提高導(dǎo)致其切削加工性能降低，特別是高速切削技術(shù)的應(yīng)用和推廣，對灰鑄鐵的切削性能提出了更高的要求。因此，具有良好切削性能的高強(qiáng)灰鑄鐵，可以降低刀具成本、提高生產(chǎn)效率。

研究表明[4]，影響灰鑄鐵件切削性能的因素很多，而材質(zhì)質(zhì)量一致，材料的微觀組織和性能達(dá)到加工參數(shù)要求,則是灰鑄鐵零部件機(jī)加工的技術(shù)需求[5]。因此，面對國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鑄件生產(chǎn)條件的不足和企業(yè)對改善灰鑄鐵件加工性的要求，加強(qiáng)相關(guān)研究勢在必行。本文擬以影響高強(qiáng)灰鑄鐵加工性能的主要因素為主線，對高強(qiáng)灰鑄鐵切削性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對目前尚存在的問題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決措施。

1 國內(nèi)外高強(qiáng)灰鑄鐵切削加工性能的研究現(xiàn)狀

工業(yè)發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)四十年代就對灰鑄鐵材料加工性展開了研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高強(qiáng)度灰鑄鐵的加工性能改善顯著，總體上已能滿足汽車零部件大批量、高效率、自動(dòng)化加工的要求[6～10]。

近年來，我國許多企業(yè)生產(chǎn)的制動(dòng)鼓、缸體等高強(qiáng)灰鐵件的力學(xué)性能已達(dá)到國外鑄件同等水平，金相組織也無明顯差異，但是，在同樣加工條件下，國產(chǎn)鑄件比國外鑄件的加工時(shí)間長、刀耗大、加工表面粗糙度比較差。特別在高速加工自動(dòng)線上，刀具壽命更短[11]。

影響灰鑄鐵加工性的因素主要包括爐料配比、成分、熔煉及孕育處理、石墨形狀和大小、基體組織、型砂水分和煤粉含量以及加工余量等方面[11～13]。目前，國內(nèi)已對合成鑄鐵的易切削特點(diǎn)有了較充分的認(rèn)識。由于合成鑄鐵需要使用大量的廢鋼，故國內(nèi)的相關(guān)工作主要還在于配料時(shí)適當(dāng)加大碳素廢鋼的比例，采用高碳當(dāng)量、合金化和孕育處理等措施來改善高強(qiáng)灰鐵的切削性能，確實(shí)也取得了一定成效。但是，還難以穩(wěn)定達(dá)到國外同類鑄件的質(zhì)量。

由于灰鑄鐵性能由其組織決定[14]，而組織由化學(xué)成分和冷卻條件決定。因此，各種因素對灰鑄鐵的影響主要體現(xiàn)在對其組織的影響，進(jìn)而影響其切削性能。下面扼要說明高強(qiáng)灰鐵件加工性能的相關(guān)研究工作的現(xiàn)狀及主要觀點(diǎn)。

（1）石墨形態(tài)和分布?；诣T鐵中的石墨在切削時(shí)可起到潤滑作用，其形態(tài)和分布是決定灰鐵材料強(qiáng)度和切削性能的關(guān)鍵[15]。碳當(dāng)量高和石墨量多是進(jìn)口鑄件比國產(chǎn)件加工性能好的原因之一。在保證力學(xué)性能前提下，提高石墨含量是促成灰鐵加工性能的最直接有效的方式[16]。當(dāng)鑄鐵中游離碳化物達(dá)到3%～5%時(shí)，盡管硬度增加不明顯，但其力學(xué)性能卻下降明顯，并急劇惡化加工性能[10]。研究表明，細(xì)小均勻的A型石墨斷屑性能好，刀具壽命長。

（2）珠光體片間距。珠光體中的片間距是影響切削性能的重要因素。珠光體片間距越大，越有利于變形[17]。若考慮強(qiáng)度要求，則以中細(xì)片狀且分布均勻的珠光體為宜。高強(qiáng)灰鐵中珠光體含量在95%～98%以上，不均勻的片間距會導(dǎo)致刀片受到斷續(xù)沖擊，可能造成刀具微小崩刃。索氏體是高強(qiáng)度相，將加劇刀具磨損，要盡量避免。因此，為改善高強(qiáng)灰鐵的切削性能，可以改善珠光體的形態(tài)，優(yōu)化組織，使其片間距更均勻。

（3）合金化及孕育處理。在灰鑄鐵中加入不同的合金元素及進(jìn)行不同的孕育處理將會改變鑄鐵的組織和性能。如合金灰鑄鐵中碳、銅、錫、鉻含量變化對切削刀具（硬質(zhì)合金）磨損的影響[18]，多元（含RE、Cr、Mn、Si）合金化和Cu 合金化的相同抗拉強(qiáng)度的灰鑄鐵的加工性能比較[19]。鈦對灰鑄鐵機(jī)械加工性能的影響研究表明[20，21]，提高鑄件加工性能的關(guān)鍵是采用合理的加工工藝參數(shù)和降低鈦含量。微合金化處理亦可改善灰鑄鐵微觀組織，提高鑄鐵的綜合性能[22]。

一般而言，合金元素大多都提高灰鑄鐵件的硬度，是不利于提高加工性能的，如鉻。而合金元素錫可均勻灰鑄鐵的基體組織，促進(jìn)石墨的析出和細(xì)化，改善灰鑄鐵的加工性能。反石墨化合金元素則大多使加工性能惡化，如Mn。當(dāng)Mn 量太低時(shí)，則富裕硫量過多，會形成過多三元共晶體硬塊，使灰鑄鐵件加工困難。但是，需要注意的是，Mn 元素可與硫形成高熔點(diǎn)的硫化錳，作為形核劑細(xì)化和均勻基體組織，而且在切削加工時(shí)，硫化錳會粘附在切削刀具表面，減小磨損，提高刀具壽命。

合適的孕育處理也可改善高強(qiáng)灰鑄鐵的加工性能。單一或幾種復(fù)合的孕育劑，都會不同程度地影響缸體用灰鑄鐵的力學(xué)性能、壁厚敏感性和加工性能[23]。傳統(tǒng)的孕育劑有硅基和碳基。研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用硅基孕育劑會造成珠光體硬度不均，鑄件的加工性能惡化。針對這一問題，研究了以75SiFe 為基礎(chǔ)的含鋇、鍶、鋯、稀土的多種復(fù)合孕育劑[24]，使鑄件的組織均勻性和加工性能得到改善。研究結(jié)果表明，灰鑄鐵中A型石墨含量越多，基體組織越均勻，加工性能就越好。復(fù)合孕育處理的灰鑄鐵較單一孕育處理的石墨細(xì)小彎曲，基體組織均勻性好，因而加工性能更好。

（4）微量元素含量。爐料中含有很多影響其切削性能的有害元素，如生鐵中含有一定量的釩、鈦等。在微量元素中Ti 被認(rèn)為是對灰鐵件加工性能影響最大的有害元素。因此，想要優(yōu)化灰鑄鐵的切削性能，必須改善微量元素的含量，嚴(yán)格控制爐料。

（5）硬質(zhì)點(diǎn)顆粒?；诣T鐵晶界間分布的微小硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物、硫化物顆粒等)適當(dāng)降低了的韌性，在一定程度上增加了灰鑄鐵的斷屑性，但如果碳化物顆粒過多則又不利石墨析出，影響切削性能。研究發(fā)現(xiàn)灰鑄鐵“料硬”發(fā)生的部位，大都在毛坯的槽、棱角、凸面、表面等局部位置[25]。

（6）鑄造內(nèi)應(yīng)力。時(shí)效退火可消除90%左右的內(nèi)應(yīng)力，還有部分應(yīng)力需要長期自然時(shí)效才能消除。時(shí)效處理的鑄件晶界的斷屑效果明顯改善，切削性能明顯提高。特別對于高速切削而言，晶界處的應(yīng)力的任何微小變化都會影響到刀具的使用壽命。進(jìn)口鑄件的切削性能比國產(chǎn)鑄件好很多，就充分說明了長期的運(yùn)輸和儲存會改善鑄件的切削性能。

（7）鑄造工藝。鑄造工藝對灰鑄鐵的加工性能也有影響。主要體現(xiàn)在以下方面：①碳的獲取方式。碳是通過加生鐵和在鐵液中加增碳劑獲得的。通過增碳劑所獲碳的形態(tài)比較好，且加工性能優(yōu)良。國內(nèi)工廠為簡化生產(chǎn)工序，一般通過提高生鐵的配比來達(dá)到增碳目的。②熔煉方法和澆注溫度。沖天爐熔煉和感應(yīng)爐熔煉所獲得的鐵液中的夾雜物、氧化物及微量元素的含量會有所不同。澆注溫度不同，鐵液中形成的自發(fā)核心數(shù)量可能會不同，將會影響最終獲取的石墨形態(tài)、數(shù)量及分布，同樣會對加工性能產(chǎn)生一定影響[13]。③冷卻速度。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，石墨形態(tài)、數(shù)量和基體組織會受到工藝因素如鐵液的冷卻速度快慢的影響。高的冷卻速度可細(xì)化晶粒，但鑄件強(qiáng)度、硬度較高，加工性能通常較差。④開箱溫度。Burke 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，開箱溫度越高，灰鐵件的加工性能越差。⑤出鐵溫度。出鐵溫度越高，材料的強(qiáng)度越高，材質(zhì)的均勻性越好，但硬度增加不明顯。

綜上所述，相關(guān)研究分別涉及高強(qiáng)灰鑄鐵成分、熔煉工藝及孕育處理、石墨和基體組織以及組織中的硬質(zhì)點(diǎn)等多種因素對切削加工性能的影響等內(nèi)容。但研究分析灰鑄鐵的組織參數(shù)與性能之間的關(guān)系，通過鑄造工藝參數(shù)、成分和工藝的優(yōu)化、控制鑄件組織，獲得綜合性能良好的高強(qiáng)灰鐵件等集合多個(gè)層面的內(nèi)容報(bào)道較少。

2 存在的主要問題及發(fā)展趨勢

（1）存在的主要問題

應(yīng)該說，在廣大鑄造工作者的努力下，目前我國生產(chǎn)的高強(qiáng)度灰鑄鐵件的加工性能已有了明顯的改善[27]，但與國外還存在較大的差距。存在的主要問題是：①原材料質(zhì)量不夠穩(wěn)定；②熔煉和孕育變質(zhì)技術(shù)的相對落后；③針對不同的高強(qiáng)度灰鐵件的成分選擇、工藝控制不到位。表現(xiàn)為在相同化學(xué)成分下，灰鐵件強(qiáng)度往往比國外鑄件低。即使達(dá)到強(qiáng)度要求，其穩(wěn)定性也很差，廢品率高，組織均勻性較差導(dǎo)致加工性能差，使得生產(chǎn)成本居高不下。

（2）發(fā)展趨勢及解決措施

目前，國內(nèi)外鑄造工作者對高強(qiáng)度灰鑄鐵發(fā)展的趨勢已有共識，即“三高一低”。在較高碳當(dāng)量的條件下，獲得高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力的灰鑄鐵，將強(qiáng)度、硬度、石墨化聯(lián)系起來，以達(dá)到鑄造性能、力學(xué)性能、加工性能的統(tǒng)一。經(jīng)過大量研究工作，總結(jié)出提高灰鐵強(qiáng)度和加工性能的主要措施如下：①調(diào)控鐵液化學(xué)成分。采用高碳當(dāng)量灰鑄鐵，調(diào)整Si/C 和Si-Mn 值，提高鐵液的冶金質(zhì)量；②加入合金元素，低合金化鑄鐵；③提高鐵液熔煉溫度，強(qiáng)化孕育，采用長效高效孕育劑；④采用合成鑄鐵；⑤加強(qiáng)工藝控制。

3 結(jié)論

通過采取加大廢鋼比例，適當(dāng)?shù)暮辖鸹幚砗蛷?qiáng)化孕育工藝，控制原材料的品質(zhì)和生產(chǎn)工藝等措施，已使得高強(qiáng)度灰鑄鐵的切削性能有所改善，但是，由于我國原材料質(zhì)量的不穩(wěn)定及生產(chǎn)控制的不到位仍使得灰鑄鐵的切削問題沒有很好解決。今后，要借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，改進(jìn)材質(zhì)，優(yōu)化成分和工藝，才能以較低的成本，穩(wěn)定生產(chǎn)出強(qiáng)度高、切削性能好的灰鑄鐵件。

[1]A modern casting staff report.41st Census of World Casting Production-2006[J].Modern Casting,2007,97（12）:22-23.

[2]曾大本，唐靖林.灰鑄鐵研究和生產(chǎn)的新進(jìn)展與展望[J].現(xiàn)代鑄鐵，2005（l）:33-40.

[3]梁盛文.汽車鑄造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].汽車工藝與材料，2007（5）：19-25.

[4]馬偉.淺談灰鑄鐵切削性能及其影響刀具壽命的若干因素[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2010(4):65-68.

[5]李濤.典型灰鑄鐵零件國產(chǎn)毛坯與進(jìn)口毛坯微觀組織分析[J].汽車工藝與材料，2004(7):97-100.

[6]Field M.,Stansbury E E.Effect of microstructure on machinability of cast irons[J]Transactions of ASME,1947(8):665～682.

[7]Eleftheriou E,Bates C E.Effects of inoculation on machinability of gray cast iron[J].AFS Transactions，1999(107):659～670.

[8]Janowak J F,Gundlach R B.Improved machinability of high strength gray iron[J].AFS Transactions，1988（12）:961～968.

[9]Bates C E.Study examines influences of machinability of iron castings[J].Modern Casting.1996(10):36～39.

[10]Zieger K R,Wallace J F.The effect machinability of high strength gray cast iron[J].AFS Transactions,1984（92）:720-725.

[11]蔡啟舟,魏伯康,周楚清，等.灰鑄鐵缸體切削加工性能的影響因素分析[J].現(xiàn)代鑄鐵,2008,28(1):33-38.

[12]陳禮年,周楚清,喻平，等.改善灰鑄鐵缸體切削加工性能的生產(chǎn)試驗(yàn)[J].現(xiàn)代鑄鐵,2010,30(1):48-53.

[13]趙書城.灰鑄鐵加工性能分析[J].現(xiàn)代鑄鐵,2004(5):1-4.

[14]Gr1ffin.R D，Li.H J，Eleftheriou.E，et al.Machinability of gray cast iron[J].AFS Transactions，2002（110）:1067-1083.

[15]侯起飛，劉勝新，孫玉福,等.高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)新進(jìn)展[J].現(xiàn)代鑄鐵，2010（1）：49-53.

[16]Janowak J F.The effect of graphite transactions of the machinability of high strength Gray Cast Iron[J].AFS Transactions,1985（93）:93-96.

[17]王金國，逄偉，于家祥，等.灰鑄鐵中的石墨在切削加工過程中的變形規(guī)律及其對切削加工性能的影響[C].浙江杭州：2010 中國鑄造活動(dòng)周論文集，2010：1-9.

[18]劉星舟,盧德宏,蔣業(yè)華，等.合金灰鑄鐵成分對切削刀具磨損的影響[J].鑄造技術(shù),2011,32(1):39-42.

[19]肖麗麗,任鳳章,李鋒軍,等.灰鑄鐵不同合金化同等強(qiáng)度下的加工性能對比研究[J].鑄造技術(shù),2012(5):512-515.

[20]洪曉先.鈦含量對灰鑄鐵機(jī)械加工性能的影響[J].鑄造,2008(10):1041-1045.

[21]張?jiān)?曾大新,劉建勇,等.微量鈦對灰鑄鐵加工性能影響[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2004,(3):17-20.

[22]吳海平.微合金化對薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵組織及性能的影響[C].2011 年安徽省科協(xié)年會——機(jī)械工程分年會論文集,2011:48-51.

[23]劉偉明,任鳳章,李鋒軍,等.應(yīng)用復(fù)合孕育劑提高缸體用灰鐵鑄件的切削性能[J].鑄造技術(shù),2005(10):6-8，23.

[24]黃勝操,任鳳章,李鋒軍,等.不同孕育劑處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵加工性能研究[J].鑄造,2012(6):598-603.

[25]孫江波.灰鑄鐵切削加工中的“料硬”問題[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2002(1):55-55.

[26]Burke C M，Mare D J.Machinability of gray cast iron a drilling study[J].AFS Transactions，1999(107):567-575.

[27]吉林大學(xué).高強(qiáng)度易切削加工灰鑄鐵:中國，CN201010543613.1[P].2011-2-2.