淺談鑄鐵缸套的加工切削性能

徐小林 鮑永貴

（安慶帝伯格茨缸套有限公司）

ATGL公司作為汽車發動機缸套供應商之一，既要滿足產品設計者對材料使用性能的要求，又需面對交付后，客戶對缸套切削加工性能的挑剔，有時切削加工性能會成為機加工與鑄造之間爭議的焦點。然而，改善切削加工性的呼聲已經喊了很多年，由于研究難度大、跟蹤周期長、投入經費大等問題，致使材料的切削加工性問題一直未有中肯的解決方案。如今各公司都追求利益最大化，“短平快”的風氣盛行，加工切削性能研究被認為是 “為他人作嫁衣”，涉足者少之又少。作為一個鑄造從業者，鑄造的材質多以灰鑄鐵為主，想和那些對灰鑄鐵切削加工性能有興趣的朋友們交流一下，如何改善其切削加工性能。

1 正確認識和對待切削加工性能

材料切削加工性能的優劣應包含以下三個方面：

①機加工效率；

② 具的磨耗與損傷 （如崩刀、斷刀、燒刀、粘刀等）程度；

③工件的加工粗糙度和表面狀況 （如崩缺、波紋、棱刺、亮帶、黑點等）。

因此，切削加工性能是工件材料、刀具、切削參數的綜合反映，它以切削綜合成本考核為終極目標。

2 切削加工性能與材料鑄造、加工條件和要求的關系

① 材料的加工切削性能需視具體加工要求和切削條件而定。因此，它有一定的相對性；

② 改善切削加工性能不僅僅是機加工單方面的問題，同時也是材料制作過程控制的體現；

③加工切削性能的評判很復雜，其中既有可量化的內容，又有不可量化或難以量化的內容。

3 灰鑄鐵材料對切削加工性能的影響

①石墨對切削加工性能的影響

石墨的硬度很低 （3HBS），但不影響鑄鐵的布氏硬度。石墨的自潤滑性可提高切削工效和減少刀具磨損，但是片狀石墨粗大時會顯著影響加工表面的粗糙度。球鐵中球狀石墨數量多、細小又分散，因而與相同基體的灰鐵相比，其切削加工性能的三項指標均較優秀。

④基體組織對切削性能的影響

基體對材料的物理和力學性能起主要的決定作用，因而對材料的切削加工性能也從宏觀上起到主要的決定作用。基體組織的硬度隨合金化程度的增加而提高。珠光體除了分散度影響硬度外，它的結構形態亦有影響：粒狀珠光體比片狀珠光體硬度稍低。同時其片間距的大小也間接影響切削加工性能。一般而言，基體組織硬度增加時，切削加工的難度增加。至于加工表面的粗糙度，可以認為在鐵素體和珠光體基體的圍內，隨硬度的提高而變好。切削過程中材料的加工硬化傾向對切削加工性影響很大。如果基體的抗滑移能力強，切削力又大，則材料在加工過程中將變得越發難以切削。

⑤晶間偏析相對切削性能的影響

由于選擇結晶的結果，正偏析元素富集于晶界。常見的正偏析元素有O、S、P、M n和Cr等。S溶于鐵液，但在Fe－C－S系中，S幾乎不溶于奧氏體、鐵素體和滲碳體。在凝固時S的正偏析傾向很大，在晶界形成Fe－FeS－Fe3C的三元硫共晶，其中w（S）為31．7% ，w （C）只有0．17%。當同時有O富集時，晶界鐵液將按介穩定系轉變，成為白口。P在晶界形成二元磷共晶Fe＋Fe3P或三元磷共晶Fe＋Fe3P＋Fe3C，它們的硬度分別為750～800HV和900～950HV，超過了淬火馬氏體的硬度。當有M n、Cr存在時，磷共晶內常常有 M n、Cr富集。硫共晶和磷共晶妨礙切削加工，磷共晶造成的晶間縮松，在一定程度上降低了鑄件的加工質量。M n、Cr均為反石墨化元素，容易在晶界產生碳化物，近晶界奧氏體較為穩定，易轉變為珠光體。當鑄鐵中M n、Cr較多時，在加工過程中可能造成刀具的不均衡跳動，有損加工面的質量。弱正偏析元素M o、W、V在晶界的偏析對石墨鑄鐵的加工性能影響不大。

⑥晶內硬相對切削性能的影響

晶內硬相主要是一些高熔點的碳化物、氧化物和氮化物。這些存在于晶內的類圓形或角形的化合物，硬度明顯高于石墨鑄鐵本身。顯然晶內硬相對切削加工性能是無益的。Ti C的硬度很高，當有N存在時，鑄鐵中會同時生成Ti C、Ti N或Ti（N、C）。Ti C和Ti N是硬質合金刀具的刀頭材料和表面噴涂材料，鑄鐵中的Ti化合物無疑會傷害刀具。因此，在高級灰鐵和球鐵生產中，Ti被認為是影響切削加工性的不利元素而加以限制。切削實踐表明，用含Ti量過高的原材料切削性能比含量低Ti的原材料差。

⑦局部的白口和反白口對切削性能的影響

鑄件邊角或薄壁處由于冷卻速度過快，鐵液按介穩定系結晶而析出自由滲碳體。當鐵液含硫量高、氧化較嚴重、碳當量低和孕育不良時，白口比較容易發生。感應爐鐵液，高溫過熱、孕育不良也容易產生白口。與表層白口相反，白口產生于鑄件內部，稱作反白口。

⑧時效對加工切削性能的影響

在客戶的加工過程中，許多奇怪的現象被發現。其中，鑄件存放數月后，在沒有任何基體變化的情況下，高速切削時的刀具壽命就會比原來得到大幅度的提高，這個現象已經是被越來越多的人認識和公認的事實了。這就是鑄造應力消除的結果：鑄件在凝固的過程中，應力產生在晶界處，會造成晶界處晶格的變形，產生很大的拉應力或壓應力，這個力會增加斷屑的難度，增大切削的阻力。當時效處理數月后，隨著應力的消失，晶界的斷屑效果改善，切削性能就會明顯提高。高速切削對斷屑的變化非常的敏感，這一變化應付反應在刀具的壽命大幅度提高。這再次說明晶界處的物理狀態對高速切削過程來說是非常重要和敏感的，也可以反過來說明晶界處的微小碳化物顆粒的變化會影響到刀具的使用壽命。

⑨其它原因對切削性能的影響

未熔盡殘留物鐵合金 （如 FeM o、FeW 、FeCr）加入不合理或孕育劑粒度過大，未熔物殘留于鑄件內部，造成局部過硬。

其它低熔點元素偏析至枝晶間或共晶團間，凝固時易促成特殊組織。如微量Pb（質量分數超過0．005%）可使枝晶四周生成網狀石墨。緩冷時，在更低的Pb量時會生成魏氏石墨。Sn會在共晶團邊界形成FeSn2，等等。球鐵中單獨存在的Sb、Bi、Pb等，既干擾球化也會影響切削加工性能。

4 如何更好的改善加工切削性能

通過以上幾點的交流，基體和石墨是鑄鐵牌號的保證因素。熔煉的任務首先是要確?；w組織和石墨形態的穩定性和均一性，其次是要限制惡化切削加工性能的因素，以下措施可供改善切削加工性能參考：

①改善石墨形態是提高切削性能的重要措施。

石墨是灰鑄鐵切削過程中裂紋擴展及斷屑的重要因素，因此改善石墨形態是提高切削能最重要的措施。沖天爐熔煉要做到高溫熔煉，因為高溫熔煉促進增碳的最好措施也能減少鐵液氧化傾向。因此熱風沖天爐是必要的硬件條件；對于電爐熔煉，增碳工藝是最好的工藝，也是改善切削性能的最重要的措施。

②隨流孕育很重要，但要適量，不能過量。

隨流孕育也改善石墨形態的重要手段，而且建議使用進口的隨流孕育劑，但是隨流孕育不能過量。我們很多人只看到隨流孕育的好處，但是加入量太大，會增加鐵素體的數量，提高材料的韌性，這對高速切削的斷屑性能是不利的。

③合金化不能以加銅為主，要適當增加微小硬質點的數量。

這也是我們以前走過了彎路后得到的經驗，對硬質點的過分擔心緣于我們推理的錯誤，認為刀具一定要切過硬質點，而硬質點又是那么硬，所以要打刀。實際上分布在晶間的微小硬質點增加了材料的斷屑性能，適當提高了材料的脆性，這一點也是使高速切削性能提高的重大突破。多加銅會提高材料的韌性，并不能改善斷屑性能。

④選用優質的或高純的生鐵，慎用合金廢鋼，以嚴控有害元素含量，要嚴格控制有害元素的含量。從我們的經驗來看，主要是控制生鐵中鈦、釩的含量，鈦、釩使高速切削性能嚴重惡化。

⑤減少鐵水澆注、凝固過程的過冷因素，使鐵液趨向于穩定系凝固。澆包應有良好保溫性能，適當提高澆注溫度和澆注速度；涂料應具有良好的保溫性能和高溫抗沖刷強度；適當提高模具溫度：400～500℃。

⑥時效處理可以大幅提高加工切削性能。

《鑄造手冊》、《現代鑄鐵》等