不同抗拉強度鑄鐵的切削性能對比

李宗亮，任鳳章,b，王冰洋，熊　毅

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023)

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不同抗拉強度鑄鐵的切削性能對比

李宗亮a，任鳳章a,b，王冰洋a，熊毅a

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023)

摘要：澆鑄了1種球墨鑄鐵、3種蠕墨鑄鐵和1種灰鑄鐵，測試了這5種具有不同抗拉強度試樣的主切削力，并分析了抗拉強度與主切削力之間的關(guān)系，以及抗拉強度、主切削力與組織的關(guān)系。研究結(jié)果表明：3種石墨形態(tài)的鑄鐵，其抗拉強度和主切削力均受石墨形態(tài)和基體組織的影響，但石墨形態(tài)對抗拉強度的影響更為顯著，而基體中的珠光體含量對主切削力影響更為顯著。不同種類的鑄鐵，抗拉強度與主切削力之間沒有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：抗拉強度；鑄鐵；石墨形態(tài)；切削性能

0引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對發(fā)動機缸體比強度(斷開時單位面積所受的力)的要求越來越高。一般來說，提高缸體的比強度，能使發(fā)動機缸體所允許的最大燃燒壓力提高，從而使燃油能夠充分燃燒，提高燃油利用率。同時，比強度的提高，可以實現(xiàn)汽車輕量化，從而進一步降低油耗，達到節(jié)能環(huán)保的目的[1]。對鑄鐵材質(zhì)的發(fā)動機缸體，若提高發(fā)動機缸體的比強度，則其他性能如導(dǎo)熱性和消震性就會相應(yīng)下降[2]，尤其是機加工性能會大大降低，從而不利于進行機加工，也影響批量化的流水線作業(yè)生產(chǎn)。因此，抗拉強度與加工性能一直是發(fā)動機缸體用鑄鐵件性能方面的重要指標(biāo)。對于鑄鐵來說，一般抗拉強度越高，切削加工時刀具所受作用力及磨損越大，壽命越短[3]。到目前為止，國內(nèi)外對鑄鐵加工性能已有許多研究。文獻[4]從切削合力和刀具磨損方面描述了兩種孕育劑對灰鑄鐵加工性能的影響。文獻[5]研究了蠕墨鑄鐵中添加合金元素Mo、Ti，對蠕墨鑄鐵顯微組織、力學(xué)性能以及加工性能的影響。文獻[6]對比研究了一種蠕墨鑄鐵在不同等溫淬火溫度和時間下的切削力大小。文獻[7]研究了蠕墨鑄鐵合金元素Ti質(zhì)量分數(shù)對刀具磨損、切削力和表面粗糙度的影響。但目前對不同抗拉強度且有不同石墨形態(tài)鑄鐵(不同鑄鐵種類)的加工性能對比研究卻未見報道。本試驗澆鑄了5種不同抗拉強度的鑄鐵(1種球墨鑄鐵、3種蠕墨鑄鐵和1種灰鑄鐵)，對比研究了它們的主切削力大小，并分析了主切削力與組織形態(tài)的關(guān)系。

1試驗材料及方法

表1　試樣編號及抗拉強度

試驗所澆鑄的5種試樣編號及抗拉強度如表1所示。表1中，1號樣為球墨鑄鐵(QT)，2～4號樣為蠕墨鑄鐵(RuT)，5號樣為灰鑄鐵(HT)。

將不同抗拉強度的5根切削力測試試棒加工至同一直徑(Ф72 mm)。在CA6140A機床上對5根試棒進行切削試驗，機床轉(zhuǎn)速為180 r/min，軸向進給量為0.30 mm/r。切削過程中通過測量裝夾車刀的八角環(huán)應(yīng)變μ來實現(xiàn)主切削力Fz的測量。本次試驗標(biāo)定的μ與Fz的關(guān)系為Fz=36.41×106μ+9.976。石墨形態(tài)及基體組織用OLYMPUS PMG3金相顯微鏡，配合SISCAS.V8.0金相圖像分析軟件進行測定和分析。

2試驗結(jié)果及分析

2.1鑄鐵試樣的微觀組織

5種試樣的石墨形態(tài)如圖1所示。從圖1中可以看出：1號樣石墨形態(tài)呈不規(guī)則球狀，為球墨鑄鐵，對比國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9441—2009可知，球化級別為3級；2～4號樣石墨呈蠕蟲狀，為蠕墨鑄鐵，對比國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26656—2011可知，其蠕化率分別為95%、95%和85%；5號樣石墨形態(tài)呈片狀，為灰鑄鐵，對比國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7216—2009可知，石墨片為A型分布，級別為片狀4級。

圖1　5種試樣的石墨形態(tài)

5種試樣的球化級別、蠕化率、片狀石墨級別以及珠光體的體積分數(shù)如表2所示。從表2中可以看出：1～3號樣的基體中珠光體體積分數(shù)比較接近；4號樣基體中珠光體體積分數(shù)很低；5號樣基體中基本全部為珠光體。

表2　試樣的石墨形態(tài)和珠光體的體積分數(shù)

2.2鑄鐵試樣微觀組織與抗拉強度間的關(guān)系

石墨形態(tài)、數(shù)量、尺寸大小以及分布情況對鑄鐵抗拉強度的影響非常大。5種試樣的抗拉強度如表1所示，其抗拉強度順序為：1號樣>2號樣>3號樣>4號樣>5號樣，其原因主要在于石墨形態(tài)。在球墨鑄鐵中石墨形態(tài)為團球狀，表面比較圓潤，石墨表面的應(yīng)力集中作用相對于蠕蟲狀和片狀來說小得多。同樣，蠕蟲狀石墨端部圓鈍，且石墨長度比片狀石墨短得多，故蠕蟲狀石墨比片狀石墨應(yīng)力集中作用及對基體的分割作用要小得多?；诣T鐵中的石墨形態(tài)呈針片狀，石墨細長且其端部尖銳，對基體的割裂作用很大且與基體界面處應(yīng)力集中效應(yīng)很大，在外界拉應(yīng)力作用下很容易形成裂紋源并進行擴展。石墨形態(tài)從球狀到蠕蟲狀再到片狀，石墨的比表面積增大，對基體的分割作用越來越大，石墨邊緣越尖銳，石墨端部的應(yīng)力作用越大。因此，相對于石墨呈片狀的灰鑄鐵，球墨鑄鐵需要吸收更大的能量，即需要更大的外界拉應(yīng)力才能夠形成裂紋源[8]。故在基體組織差別不是非常大的情況下(如：1～3號樣和5號樣的基體組織主要為珠光體)，從石墨形態(tài)來說，球墨鑄鐵的抗拉強度要大于蠕墨鑄鐵，也大于灰鑄鐵。2～4號樣為同一類鑄鐵(蠕墨鑄鐵)，石墨形態(tài)雖都是蠕蟲狀，但其抗拉強度差異較大。3種石墨分布都比較均勻，2號樣的石墨相對較短較粗，即石墨長寬比較小，石墨比較致密，而3號樣和4號樣的石墨相對較細長，致密性較差。在基體和蠕化率基本的相同條件下(2號樣和3號樣)，石墨致密度越大，蠕墨鑄鐵抗拉強度就越高，與文獻[9]結(jié)論相同。4號樣蠕化率比3號樣的低，出現(xiàn)了部分球狀石墨，僅從蠕化率大小來說，4號樣抗拉強度應(yīng)高于3號樣，但4號樣基體中珠光體含量只有30%～40%，比3號樣少得多。珠光體抗拉強度比鐵素體抗拉強度高得多，珠光體體積分數(shù)越高，蠕鐵抗拉強度越高，故4號樣抗拉強度比3號樣的低。

2.3鑄鐵石墨形態(tài)對切削加工性能的影響

切深2.0 mm，測得的5種試樣主切削力隨時間變化的關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中，主切削力取負值表示刀具受力向下。從圖2中的切削曲線可以看出：5種試樣的切削曲線都很不穩(wěn)定。文獻[10-11]認為：材料組織不均勻性對加工性能的穩(wěn)定性有明顯影響。在鑄鐵中，相對于基體組織來說，石墨結(jié)構(gòu)比較軟，相對于珠光體和鐵素體基體來說，可以看作是空隙[12]，且在鑄鐵的澆鑄過程中容易產(chǎn)生偏析或形成硬質(zhì)顆粒，所以灰口鑄鐵組織的均勻性較差，造成其主切削力不穩(wěn)定。

圖2　主切削力隨時間變化關(guān)系曲線

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注：表中數(shù)值為主切削力的絕對值。

表3為不同切深條件下的主切削力(絕對值，下同)。在切深2.0 mm情況下，球墨鑄鐵1號樣的主切削力大約是灰鑄鐵5號樣的1.6倍。珠光體體積分數(shù)達到80%的2號樣和3號樣的主切削力，分別大約是灰鑄鐵5號樣的1.3倍和1.2倍。從表1和表3中可以看出：隨著試樣抗拉強度的遞減，其主切削力并非也呈遞減的趨勢。1～4號樣的抗拉強度分別約是5號樣的3.3倍、2.4倍、2.0倍和1.5倍，切深為2.0 mm條件下的主切削力分別約是5號樣的1.6倍、1.3倍、1.2倍和0.7倍。同樣，在切深為1.5 mm時，1～4號樣的主切削力分別是5號樣的1.6倍、1.1倍、1.0倍和0.7倍，可見在不同切深條件下，5種試樣的主切削力具有一致的趨勢。因此，可以看出抗拉強度跟主切削力并沒有相對應(yīng)的關(guān)系，而是受基體的影響較大。從石墨形態(tài)來分析，蠕蟲狀石墨尖端比灰鑄鐵圓鈍的多，產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)要小得多，因此，需要更大的外力才能使石墨-基體界面處產(chǎn)生裂紋源，這就是蠕墨鑄鐵4號樣比灰鑄鐵5號樣抗拉強度高的主要原因。雖然蠕墨鑄鐵4號樣珠光體體積分數(shù)只有30%～40%，而5號樣基體組織中珠光體體積分數(shù)達到98%，但4號樣抗拉強度卻比5號樣的高，可見在抗拉強度方面，石墨形態(tài)的影響要比珠光體體積分數(shù)的影響顯著。從主切削力來看，5號樣珠光體體積分數(shù)遠比4號樣的高，在外力作用時片狀石墨與蠕蟲狀石墨相比，更容易在應(yīng)力作用下剝落。5號樣的切削加工性能卻比4號樣的差，可見基體中珠光體體積分數(shù)的差異是蠕墨鑄鐵4號樣的主切削力小于灰鑄鐵5號樣的主要原因。從1～3號樣和5號樣可以看出：珠光體體積分數(shù)基本相同的條件下，抗拉強度與主切削力呈現(xiàn)出一樣的變化趨勢。

3結(jié)論

(1)鑄鐵的抗拉強度與石墨形態(tài)、緊實度和基體中珠光體體積分數(shù)密切相關(guān)。石墨不致密傾向越小即石墨的長寬比越小，石墨越緊實，石墨尖端的應(yīng)力集中和分割基體作用越小，抗拉強度越高。

(2)對各種石墨形態(tài)的鑄鐵來說，其抗拉強度與主切削力沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，5種鑄鐵試樣的抗拉強度之比約為3.3∶2.4∶2.0∶1.5∶1.0，而切深2.0 mm時的主切削力之比約為1.6∶1.3∶1.2∶0.7∶1.0，并非抗拉強度越高其主切削力越大。石墨形態(tài)對鑄鐵抗拉強度的影響顯著，而基體中的珠光體體積分數(shù)對鑄鐵的主切削力影響顯著。

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中圖分類號：TG257

文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-12-21

作者簡介：李宗亮(1991-),男,河南洛陽人,碩士生;任鳳章(1964-),男,通信作者,河南民權(quán)人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向為材料性能評估.

基金項目：河南省科技創(chuàng)新人才計劃基金項目(144200510001)；河南省國際科技合作計劃基金項目(152102410035)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃基金項目(IRTl234)；河南科技大學(xué)科技創(chuàng)新團隊基金項目(2015XTD006)

文章編號：1672-6871(2016)03-0006-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.002