淺談如何改善灰鑄鐵缸體切削加工性能

曾華賓，何宗南，魏五洲，黃光宇

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

近年來，隨著中外技術合作的加強，我國相繼引進了國外多種車型及機型，國產化灰鑄鐵缸體毛坯越來越多，生產工藝及技術條件也越來越成熟。然而灰鑄鐵缸體在力學性能、金相組織與國外鑄件相當的情況下，在同樣的加工條件下，國產化的毛坯普遍存在切削加工性能差、刀損大、加工速度慢、加工精度差等問題，嚴重制約生產能力。有些缸體加工廠限制國產件上線數量，甚至拒絕國內鑄造廠商提供的缸體上線，強烈要求缸體鑄件供應商改善材料的切削加工性能[1-3]。

缸體做為發動機的核心部件，其鑄件壁薄，尺寸精度、力學性能要求高，還需具有良好的耐磨性能、加工性能，由于鑄件力學性能與機加工性能的相互矛盾，造成實際生產過程中難度很大。造成灰鑄鐵鑄件切削加工性能差的原因比較復雜，影響鑄件加工性能的因素眾多，目前國內對灰鑄鐵件切削加工性能至今沒有有效的測試方法，也沒有統一的評價標準，這增加了改善其加工性能的難度。筆者公司結合實際生產情況，通過采取改善缸體表面光潔度，優化毛坯各面加工余量，調整爐料配比及化學成分，改進熔煉及孕育工藝，優化鑄造工藝等一系列措施，使灰鑄鐵缸體切削加工性能達到進口缸體水平。

1 灰鑄鐵缸體鑄件簡介

B系列缸體是筆者公司汽油機關鍵產品之一，缸體鑄件尺寸：333 mm×302 mm×242 mm，質量30 kg，材料牌號HT250，采用sawelli（意大利）多觸頭靜壓水平有箱造型線生產。鑄件材料化學成分要求見表1，力學性能與金相組織要求見表2。

表1 B系列缸體鑄件化學成分控制范圍

表2 B系列缸體鑄件力學性能與金相組織控制范圍

2 原灰鑄鐵缸體的加工性能

灰鑄鐵B系列缸體有15道切削加工工序，相比進口同產品缸體，各工序刀具壽命降低程度不一。經過統計分析，發現缸體前后端兩側面的粗銑（T201-OP10）、半精銑（T261）、精銑（T285）的刀具壽命降低最為嚴重，占總刀具成本增加值的83%，見表3。因此，將缸體前后端兩側面的刀具壽命做為提高切削加工性能的考核依據。

表3 改進前磨損異常的刀具壽命統計分析

3 影響灰鑄鐵缸體的切削加工性能因素

由于影響灰鑄鐵缸體切削加工性能的因素眾多，且不同鑄造廠的產品結構、鑄造工藝及生產條件存在差異，導致改善灰鑄鐵缸體切削加工性能的方法不能完全照搬、復制其它缸體加工性能優異的鑄造廠，各鑄造廠只能因地制宜，找出最適合自己工廠的生產工藝。以下為筆者公司在改善灰鑄鐵缸體切削加工能方面做的一些典型調查分析與生產試驗，僅供同行參考。

3.1 硬度

通常來說，灰鑄鐵硬度越高，其切削加工性能越差。由圖1可以看出，進口件缸體的硬度比國產件的硬度整體要高出約10HB，但其加工性能反而比國產件要好很多，由此可見，硬度與加工性能的相關性不大。

圖1 國產件與進口件硬度比較

3.2 毛坯表面光潔度

在對比進口件缸體毛坯及國產件的前后端兩側表面外觀時，如圖2、圖3，發現國產件毛坯表面存在粘砂現象，即毛坯表面的光潔度差。粘砂就是液態金屬通過毛細管滲透或氣相滲透方式鉆入砂芯表面砂粒間隙，在鑄件表面形成的金屬和砂粒機械混合的粘附層。由于粘砂層的硬度很高，與鑄件表面結合牢固，刀具切削粘砂表面就像在磨“砂輪”，急速加劇磨損，刀具壽命會嚴重下降。

經過調查發現，筆者公司所生產的坭芯局部表面致密度較差，存在松砂現象，容易導致鑄件粘砂。為了解決粘砂問題，筆者公司對制芯模具進行了工藝優化，改善坭芯緊實度；適當調整覆膜砂配方及粒度，增強坭芯耐火度及致密度；對坭芯易粘砂部位采用刷涂涂料工藝。通過上述一系列措施，鑄件表面的粘砂問題得到了有效解決，毛坯表面的光潔度與進口件相當。

圖2 國產件-粘砂嚴重

圖3 進口件-表面光潔

3.3 加工余量

灰鑄鐵缸體毛坯前后端兩側面加工余量圖紙要求為（3±1）mm，而實際生產過程中由于設計、生產工藝及工裝設備等原因，加工余量往往有所波動，會存在與理論偏差現象。為進一步調查前后端兩側面切削加工性能差問題，筆者公司采用三坐標測量儀，在前后端兩側面各位置分別采取有代表性的測量點進行加工余量分析。如圖4，進口件的加工余量在2～3 mm范圍內，國產件的加工余量在3～4 mm范圍內，即國產件的加工余量在圖紙要求的上限，而進口件的加工余量在圖紙要求的下限。國產件整體加工余量比進口件要多約1 mm，鑄件毛坯切削量大，相應的刀具磨損肯定加劇，這也是國產件切削性能較差的因素之一。為此，筆者公司對缸體毛坯前后端面加工余量進行了優化，控制在2～3 mm范圍內，向進口件看齊。

圖4 國產件與進口件前后端兩側面加工余量比較

3.4 爐料配比

隨著原輔材料的價格上漲，特別是生鐵價格的上漲使鑄件成本增加；同時由于生鐵長期大量使用，其遺傳作用越來越明顯，粗大石墨量增加，性能和組織出現一定程度的惡化，致使越來越多的鑄造企業開始使用合成鑄鐵工藝，這方面，國外企業已經普及了。合成鑄鐵采用的是“廢鋼+晶體石墨增碳劑+合金”的工藝方案，由于取消了生鐵的加入，從而消除了生鐵粗大石墨的影響，再適當調整鐵液的化學成分，改善石墨形態，使石墨細化，增加石墨數量及均勻性。據資料介紹，進口缸體相比國產缸體石墨細小均勻，有利于在切削加工時切屑的變形，尤其是在高速粗加工切削和精加工切削是，細小的石墨均勻分布，能顯著提高切屑的變形，降低對刀具的摩擦，提高刀具切削加工壽命[2]。

筆者公司綜合工藝、生產效率、成本等因素，結合生產實際情況，將爐料配比由原來的生鐵∶廢鋼∶回爐料=3∶3∶4 調整為生鐵∶廢鋼∶回爐料=1∶6∶3。爐料配比改進前的鑄件石墨為3-4級A形，少量塊狀；改進后的鑄件石墨為4-5級A形，微量塊狀。

3.5 孕育工藝

孕育處理就是在鐵液進入鑄件型腔前，把孕育劑加到鐵液中以改變鐵液的冶金狀態，從而改善鑄鐵的結晶特征、顯微組織和性能[3]。目前已經研制開發了多種多樣的孕育劑，每種孕育劑都有不同的孕育目的，分別在提高抗拉強度，減少斷面敏感性，減少白口傾向，改善石墨形態、硬度、組織均勻性及提高抗衰退能力等方面各有所長。

筆者公司原工藝采用二次孕育：中轉包內加入0.3%～0.5%的RE-Ca-Ba孕育劑，氣壓保溫機澆注時隨流加入0.1%的SiSr孕育劑。在取樣分析缸體毛坯前后端兩側面的金相組織時發現，毛坯側面拐角3 mm內處存在約20%碳化物組織，個別區域碳化物富集，見圖5。由于碳化物硬度極高，刀具切削時會急劇磨損，從而嚴重惡化灰鑄鐵缸體的切削加工性能。為了消除灰鑄鐵缸體前后端面拐角處的碳化物，筆者公司做了大量的生產試驗，同時邀請孕育劑專業廠家來筆者公司指導、試驗并制定新的孕育工藝方案。由于筆者公司采用的是氣壓保溫澆注機澆注，鐵液從中頻爐轉到澆注機保溫，受生產線節拍的影響，澆注機內鐵液形核能力差，白口傾向大。經過生產試驗驗證，公司最終選定的孕育工藝方案為：爐前加入0.1%的預處理劑，為石墨析出和生長創造一個長期、穩定的核心，從而提高孕育效果并減少對孕育量的需求；中轉包內加入0.2%～0.3%的SiSr孕育劑，消除鑄件白口，提高抗衰退能力；氣壓保溫機澆注時隨流加入0.08%的SiSr孕育劑。孕育工藝改進后，灰鑄鐵缸體前后端面拐角處的碳化物基本消除，從而有效提高缸體的切削加工性能，見圖6。

圖5 改進前基體100X

圖6 改進后基體100X

3.6 化學成分

為了確定國產件灰鑄鐵缸體與進口件的化學成分差別，取進口本體做了化學分析，結果見表4，從表中可以看出，筆者公司的S與Sn含量明顯比進口件要低，其它元素都相當。S在灰鑄鐵中的作用已經從認為有害轉變到適量的S可以改善切削性能、孕育效果和石墨形態，通常認為S含量在0.08%～0.12%是有利的。Sn是一種強烈促進基體珠光體化的元素，其作用是Cu的10倍，同時也促進石墨析出，細化石墨，提高組織均勻性，改善灰鑄鐵的加工性能，通常認為Sn含量不要超過0.12%。為了確定S和Sn的影響，筆者公司做了小中大批次的生產試驗及加工驗證，最后對化學成分進行了調整，將S含量調整為0.07%～0.09%，Sn含量調整為0.07% ～0.08%。

表4 工藝改進前缸體與進口件化學成分對比 WB（%）

經過上述一系列改進措施后，筆者公司在客戶端進行了大批量的生產加工驗證，統計結果顯示，筆者公司灰鑄鐵缸體切削加工性能與進口件相當，見表5。

表5 改進后刀具壽命統計分析

4 結束語

通過采取改善缸體表面光潔度，優化毛坯加工余量，改進爐料配比及孕育工藝，調整化學成分等一系列措施，筆者公司使灰鑄鐵缸體切削加工性能達到進口缸體水平。