高強(qiáng)灰鑄鐵切削加工性能的研究

劉燁 李曉霞 王婷

【摘 要】高速切削技術(shù)的應(yīng)用和推廣，對(duì)灰鑄鐵的切削性能提出了更高的要求。本文綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)于高強(qiáng)灰鑄鐵切削性能的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，分析說明了我國(guó)目前尚存在的問題、改善措施及未來的發(fā)展勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)度；灰鑄鐵；加工性

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。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(chǎng)前景廣闊。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(duì)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。

一、國(guó)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(guó)家在上世紀(jì)四十年代就對(duì)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。近年來，我國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)鑄件比國(guó)外鑄件的加工時(shí)間長(zhǎng)、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。

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。目前，國(guó)內(nèi)已對(duì)合成鑄鐵的易切削特點(diǎn)有了較充分的認(rèn)識(shí)。由于合成鑄鐵需要使用大量的廢鋼，故國(guó)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。

（1）石墨形態(tài)和分布。灰鑄鐵中的石墨在切削時(shí)可起到潤(rùn)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。碳當(dāng)量高和石墨量多是進(jìn)口鑄件比國(guó)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。當(dāng)鑄鐵中游離碳化物達(dá)到%～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。研究表明，細(xì)小均勻的A型石墨斷屑性能好，刀具壽命長(zhǎng)。

（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。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(huì)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。

（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(huì)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(duì)切削刀具（硬質(zhì)合金）磨損的影響，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。鈦對(duì)灰鑄鐵機(jī)械加工性能的影響研究表明，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。

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(huì)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(huì)粘附在切削刀具表面，減小磨損，提高刀具壽命。

（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(duì)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。

（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(zhǎng)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(duì)于高速切削而言，晶界處的應(yīng)力的任何微小變化都會(huì)影響到刀具的使用壽命。進(jìn)口鑄件的切削性能比國(guó)產(chǎn)鑄件好很多，就充分說明了長(zhǎng)期的運(yùn)輸和儲(chǔ)存會(huì)改善鑄件的切削性能。

（7）鑄造工藝。鑄造工藝對(duì)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(guó)內(nèi)工廠為簡(jiǎn)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(huì)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(huì)不同，將會(huì)影響最終獲取的石墨形態(tài)、數(shù)量及分布，同樣會(huì)對(duì)加工性能產(chǎn)生一定影響。

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(huì)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。

二、存在的主要問題及發(fā)展趨勢(shì)

（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(guó)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，但與國(guó)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(duì)落后；③針對(duì)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(guó)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(shì)及解決措施

目前，國(guó)內(nèi)外鑄造工作者對(duì)高強(qiáng)度灰鑄鐵發(fā)展的趨勢(shì)已有共識(shí)，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(zhǎng)效高效孕育劑；④采用合成鑄鐵；⑤加強(qiáng)工藝控制。

三、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(guó)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(guó)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、切削性能好的灰鑄件。

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