兩種蠕墨鑄鐵顯微組織與切削加工性能

鄭 冰，任鳳章，1b，張旦聞，熊 毅

（1.河南科技大學a.材料科學與工程學院；b.有色金屬共性技術河南省協同創新中心，河南洛陽 471023；2.洛陽理工學院機電工程系，河南洛陽 471023）

兩種蠕墨鑄鐵顯微組織與切削加工性能

鄭 冰1a，任鳳章1a，1b，張旦聞2，熊 毅1a

（1.河南科技大學a.材料科學與工程學院；b.有色金屬共性技術河南省協同創新中心，河南洛陽 471023；2.洛陽理工學院機電工程系，河南洛陽 471023）

采用金相顯微鏡、力學性能測試、加工性能測試等手段，觀測和測試了不同合金化處理與不同蠕化效果的兩種蠕墨鑄鐵的顯微組織、拉伸強度、布氏硬度、基體顯微硬度以及切削抗力。分析了兩種蠕墨鑄鐵的切削加工性能和力學性能與顯微組織之間的關系。研究結果發現：在蠕墨鑄鐵的石墨含量相同的條件下，蠕化率低的蠕墨鑄鐵中珠光體組織多，抗拉強度和硬度較高；蠕化率高的蠕墨鑄鐵顯微組織更趨于均勻，切削抗力小，切削加工性能好。

蠕墨鑄鐵；切削加工性能；顯微組織；拉伸強度；硬度

0 引言

蠕墨鑄鐵是一種綜合性能十分優良的鑄鐵材料，它兼顧了灰鑄鐵和球墨鑄鐵的優良性能，填補了兩者性能之間的空白，可用于高功率柴油發動機缸體缸蓋等重要鑄鐵件的生產，在美國鑄造業界被認為是唯一能同時滿足技術、環保和性能要求的重載汽車發動機材料［1］。

人們對蠕墨鑄鐵合金化處理以及蠕化處理進行了較多研究，主要研究了不同合金化處理及蠕化處理對組織和力學性能之間的影響。文獻［2］研究發現：蠕墨鑄鐵經過適當的合金化處理，能夠顯著提高用于鐵路剎車制動盤的蠕墨鑄鐵的熱疲勞性能。文獻［3］在蠕墨鑄鐵中加入適量的合金元素Ba，改變了蠕化率，從而提高力學性能。文獻［4－5］通過爐前檢驗的方法控制蠕化率來提高蠕墨鑄鐵的表面張力。文獻［6］研究發現蠕墨鑄鐵的切削力隨等溫淬火溫度和保溫時間的不同而不同。其研究只是對比了在不同淬火溫度和時間下，相同切削速度和進給量下，切削力的大小。但是，對于蠕墨鑄鐵切削加工性能與組織及力學性能，尤其是切削加工性能與蠕化率、珠光體含量、石墨含量、抗拉強度和硬度之間關系的研究未見報道。

蠕墨鑄鐵被用于制備發動機缸體，發動機缸體的加工采用專用加工線或數控機床，因此，其加工性能就顯得非常重要，需要對用于發動機缸體的蠕墨鑄鐵的加工性能進行研究。本文針對中國一拖集團有限公司蠕墨鑄鐵發動機缸體試生產中的兩種不同蠕化率和合金化的蠕墨鑄鐵進行了研究，主要分析其加工性能、微觀組織與力學性能之間的關系。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

蠕墨鑄鐵的熔煉在3 000 kg中頻電爐中進行，爐內原料為：Q10生鐵、廢鋼、錳鐵、紫銅。蠕化劑為稀土鎂硅鐵合金（即FeSiMg8Re7），其成分如表1所示，孕育劑為FeSi75。孕育和蠕化處理分為包內沖入孕育蠕化預處理和喂絲孕育蠕化。包內沖入孕育蠕化預處理是蠕化劑FeSiMg8Re7和孕育劑FeSi75一起放在包底，然后鐵水沖入進行孕育蠕化。喂絲孕育蠕化是沖入孕育蠕化后的鐵水經Sintercast系統（瑞典Sintercast公司生產）分析計算后，采用同時喂入直徑為4 mm Mg線（線密度為10.5 g／m）和直徑為9 mm的FeSi75孕育線（線密度為110.0 g／m）進行校正，其目的是保證蠕化率。

表1 FeSiMg8Re7的化學成分（質量分數）%

中頻電爐熔煉2 000 kg鐵水，采用碳硫儀分析原鐵水C和S，其他成分使用直讀光譜儀分析，鐵水成分如表2所示。第1種蠕墨鑄鐵（第1包，熔煉爐倒入中間包鐵水780 kg）（在后面的圖表中稱為：試樣A）：包內沖入孕育蠕化預處理，RE7Mg8加入量為4.5 kg（質量分數為0.58%），FeSi75加入量為3 kg（質量分數為0.38%）。取樣經Sintercast系統分析后，喂絲加入校正的Mg線為2 m，孕育線為2 m。蠕化處理后合金中的Si含量預計增加到2.70%（質量分數），Mg和Re含量預計在0.015%～0.020%（質量分數）。然后，澆鑄發動機缸體和φ95 mm×370 mm試棒一件（切削力測量以及力學性能測試試樣均取自此試棒）。

表2 爐內鐵水成分（質量分數）%

爐內剩余鐵水中加入了一定量的鉬鐵和鈦鐵合金，加入后的鐵水成分如表3所示。第2種蠕墨鑄鐵（第2包，熔煉爐倒入中間包鐵水725 kg）（在后面的圖表中稱為：試樣B）：包內沖入孕育蠕化預處理，Re7Mg8加入量為4.1 kg（質量分數為0.57%），FeSi75加入量為1 kg（質量分數為0.14%）。取樣經Sintercast系統分析后，喂絲加入校正的Mg線為1.0 m，孕育線為1.5 m。蠕化處理后Si含量預計增加到2.70%（質量分數），Mg和Re含量預計在0.015%～0.020%（質量分數）。然后，澆鑄發動機缸體和φ95 mm×370 mm試棒一件（同樣，切削力測量以及力學性能測試試樣均取自此試棒）。

表3 添加鉬鐵、鈦鐵后鐵水成分（質量分數）%

將φ95 mm×370 mm試棒去皮，兩端打中心孔加工成切削力測量試樣φ89 mm×350 mm。在切削力測量后，剩余試樣一端按GB／T 228—2002加工4根標準拉伸試樣（測量部分直徑d0＝14 mm，標距L0＝5d0），在拉斷的拉伸試樣上切取金相試樣和硬度測試試樣。

1.2 試驗方法

鑄件加工性能可以從切削力、刀具磨損、表面光潔度等方面進行評價［7－8］。本試驗是從切削力方面來評價的。機加工過程中，切削刀具所受到的切削力來自兩個方面：一是被加工材料彈性、塑性變形對切削刀具的壓力；二是切削刀具與加工材料以及切屑所產生的摩擦力［9］。切削力可分解為3個方向的力，即：主切削力Fz、背向力Fy、進給力Fx。本試驗主要采用主切削力Fz來評價蠕墨鑄鐵的加工性能（數值較大易于測量）。在CA6140臥式車床上測定加工性能，用QB-07型雙平行八角環測力儀配合DH5923動態信號測試分析儀，測量蠕墨鑄鐵進行切削時的主切削力，用于評價切削性能的好壞。車刀選用機加車刀，刀片為同一廠家生產的同一批次產品的YG8硬質合金刀片。機床主軸轉速160 r／min，進給率0.294 mm／r，切削深度分別為4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm和2.0 mm，比較兩種蠕墨鑄鐵在相同切削條件下的主切削力的大小。

用MH-3型顯微硬度計（載荷1.96 N，保載5 s）測定試樣基體的顯微硬度，用HB-3000型布氏硬度計（壓頭為φ5 mm鋼球，載荷為7 350 N，加載時間30 s）測定試樣的布氏硬度；在SHIMADZU（島津）AG-I250KN精密萬能試驗機上進行拉伸試驗。

從拉伸試樣中選取其抗拉強度與平均抗拉強度最接近的那個試樣，在斷口處橫向切取一部分制備金相試樣，用OLYMPUSPMG3光學金相顯微鏡進行金相組織觀察。金相試樣僅經過拋光不腐蝕，用于進行石墨形態和含量分析，然后再將試樣拋光進行腐蝕，對基體組織中的珠光體含量進行分析。蠕鐵的石墨形態主要是評定其蠕化率［10］。蠕化率的評定是采用與GB／T 26656—2011中不同蠕化率的照片對比，從而得出試樣的蠕化率；基體中珠光體的含量是用珠光體的面積占基體總面積的百分比來定義的，石墨含量是以單位面積蠕鐵中石墨所占面積的比例進行定義的。

2 結果與討論

2.1 蠕墨鑄鐵的切削加工性能

為完成應變與切削力的轉換，切削試樣前要先對3個方向切削力進行標定。具體的標定過程參考文獻［11］，信號采樣頻率為100 Hz，最終分別得出3個方向切削力Fx、Fy、Fz與八角環上對應的應變εx、εy、εz之間的對應關系，即Fx＝125．3εx＋55．9，Fy＝98．97εy＋122．9，Fz＝7．3εz－50．2，如圖1所示。試驗測得的不同切深下的切削力平均值如圖2所示。兩種蠕墨鑄鐵在切深3.0 mm和3.5 mm下應變εz隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖1 加載試驗測得的切削力與應變的標定曲線

圖2 兩種試棒不同切深下的切削力大小曲線

圖3 兩種蠕墨鑄鐵應變εz隨時間的變化曲線

由圖2可以看出：在切削深度為4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm時，試樣A的切削力比試樣B的切削力分別高12.1%、10.8%、13.2%、13.7%、12.2%。由圖3a和圖3b可知：在切削深度為3.0 mm時，兩種試樣應變曲線的標準差分別為1.4×10－6和1.1×10－6。由圖3c和圖3d可知：在切削深度為3.5 mm時，兩種試樣應變曲線的標準差分別為1.6×10－6和1.3×10－6。標準差反映了各個試樣的應變偏離平均值的程度，試樣A的應變偏離平均值的程度比試樣B的程度大。

2.2 蠕墨鑄鐵的力學性能

表4 試樣的抗拉強度及硬度數據

蠕墨鑄鐵的抗拉強度值和布氏硬度值見表4。每個試樣測試4次，取平均值。由表4可以看出：試樣A的抗拉強度和布氏硬度分別比試樣B高31.2%和15.0%。

蠕墨鑄鐵的硬度值與基體的組織有關。基體組織的均勻性是用測試拉斷試樣的斷口處顯微硬度的差值來衡量的。在共析轉變期間，由于試樣中合金元素的不同，導致奧氏體分解為珠光體的過程可在不同溫度下進行，形成了分散度不同的珠光體組織，使得珠光體硬度產生較大波動，所以有些地方顯微硬度較高，有些地方顯微硬度較低，高的是珠光體組織，較低的是鐵素體，處在中間的是鐵素體和珠光體的混合組織［12］。因此，可用顯微維氏硬度的變化來反映基體組織的均勻性。

試驗過程中避開石墨組織，使壓痕打在基體組織上，每個試樣測量10次，取平均值和標準差（標準差是離均差平方和平均后的方根）。試驗測得試樣A、B的顯微硬度平均值分別為324HV、292HV，標準差分別為21HV、32HV。試樣A的顯微硬度比試樣B高11.0%。試樣A的顯微硬度標準差比試樣B小34.4%，這說明了試樣A蠕墨鑄鐵的基體組織均勻性好。

2.3 蠕墨鑄鐵的顯微組織與性能之間關系

兩種蠕墨鑄鐵試樣的石墨形態以及基體組織如圖4和圖5所示。

圖4 試樣中的石墨形態

圖5 珠光體基體組織

從圖4a中可以看出：第1種蠕墨鑄鐵的蠕化率為80%，石墨含量為12%，第1種蠕墨鑄鐵的石墨形狀含有較多的蠕蟲狀石墨加少量球狀石墨。從圖4b中可以看出：第2種蠕墨鑄鐵的蠕化率為95%，石墨含量為12%，第2種蠕墨鑄鐵幾乎全部是蠕蟲狀石墨，只有極少量的球狀石墨。由于球狀石墨對基體的切割作用小于蠕蟲狀石墨，這是第1種蠕墨鑄鐵的強度比第2種高的原因之一。同時，蠕蟲狀石墨比球狀石墨對基體的切割作用大，使切削過程中易于斷屑以及使加工硬化現象不能充分展現，使切削力較低，這也是第2種蠕墨鑄鐵的切削力比第1種低的原因之一。

蠕墨鑄鐵的基體主要為不同比例的珠光體和鐵素體。從圖5a可以看出：第1種蠕墨鑄鐵珠光體含量較多，為95%，只是在球狀石墨周圍有少量的鐵素體。從圖5b可以看出：第2種蠕墨鑄鐵的基體為鐵素體和珠光體的混合物，且分布不均勻，其珠光體含量約為55%。第1種蠕墨鑄鐵的基體組織主要為珠光體，第2種蠕墨鑄鐵的基體組織為鐵素體和珠光體的混合物，這也是第1種蠕墨鑄鐵的強度、硬度比第2種高的另一方面的原因。通常情況下，硬度越高，其切削抗力也越大，第1種蠕墨鑄鐵的基體硬度比第2種的高，這也是第1種蠕墨鑄鐵的切削力比第2種高的另一方面的原因。但從試驗結果看出：第1種蠕鐵比第2種蠕鐵在強度和切削力方面高出的比例并不相同，第1種蠕鐵的強度比第2種高31.2%，而不同切深（4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm）下的切削力，第1種比第2種分別高12.1%、10.8%、13.2%、13.7%、12.2%。

在共析轉變期間，由于試樣中合金元素以及處理條件的不同，導致奧氏體分解為珠光體和鐵素體比例不同。珠光體組織顯微硬度較高，鐵素體顯微硬度較低。第1種基體組織主要為珠光體，含量為95%。第2種基體組織為珠光體和鐵素體的混合物，珠光體含量為55%，且從圖5b可以看出：珠光體與鐵素體呈不均勻分布，而這也正是第1種蠕墨鑄鐵比第2種蠕墨鑄鐵顯微硬度高，硬度均勻性好的原因。

第1種蠕墨鑄鐵組織均勻性好，而其應變標準差反而較大（兩種蠕墨鑄鐵應變標準差在切深為3.0 mm時分別為1.4×10－6、1.1×10－6，在切深為3.5 mm時分別為1.6×10－6、1.3×10－6）。其應變標準差大，可能是其石墨形態不同以及其切削力較大引起的機床震動較大造成的。

3 結論

（1）第1種蠕墨鑄鐵含有較多的蠕蟲狀石墨和少量球狀石墨，第2種蠕墨鑄鐵幾乎全部是蠕蟲狀石墨，只有極少量的球狀石墨。第1種蠕墨鑄鐵珠光體含量為95%，而第2種蠕墨鑄鐵的基體為鐵素體和珠光體的混合物，珠光體含量為55%。

（2）第1種蠕墨鑄鐵比第2種蠕墨鑄鐵的抗拉強度、硬度和切削力均高，抗拉強度高31.2%，布氏硬度高15.0%，顯微硬度高11.0%，不同切深（4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm）下的切削力分別高12.1%、10.8%、13.2%、13.7%、12.2%。

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TG50

A

1672－6871（2015）05－0005－05

國家自然科學基金項目（51201061）；河南省科技創新人才計劃基金項目（144200510009）；長江學者創新團隊發展計劃基金項目（IRT1234）；河南基礎與前沿技術研究基金項目（11230041002）

鄭 冰（1987－），女，河南長葛人，碩士生；任鳳章（1964－），男，河南民權人，教授，博士，博士生導師，研究方向為材料性能評估.

2015－01－18