高強灰鑄鐵切削加工性能的研究

劉燁 李曉霞 王婷

【摘 要】高速切削技術的應用和推廣，對灰鑄鐵的切削性能提出了更高的要求。本文綜述了國內外對于高強灰鑄鐵切削性能的研究現狀及進展，分析說明了我國目前尚存在的問題、改善措施及未來的發展勢。

【關鍵詞】高強度；灰鑄鐵；加工性

灰鑄鐵鑄造成形性優異、減磨減震性好，成本低廉，在汽車、冶金等行業得到廣泛應用。迄今為止，隨著灰鑄鐵鑄件的基體強度的提高，許多汽車的某些工件（如大型載重汽車柴油發動機缸體、制動鼓等）的選用材料仍以高強灰鐵為主，其市場前景廣闊。但是，灰鑄鐵力學性能的提高導致其切削加工性能降低，特別是高速切削技術的應用和推廣，對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灰鑄鐵，可以降低刀具成本、提高生產效率。

一、國內外高強灰鑄鐵切削加工性能的研究現狀

工業發達國家在上世紀四十年代就對灰鑄鐵材料加工性展開了研究。經過數十年的發展，高強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、自動化加工的要求。近年來，我國許多企業生產的制動鼓、缸體等高強灰鐵件的力學性能已達到國外鑄件同等水平，金相組織也無明顯差異，但是，在同樣加工條件下，國產鑄件比國外鑄件的加工時間長、刀耗大、加工表面粗糙度比較差。特別在高速加工自動線上，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，國內已對合成鑄鐵的易切削特點有了較充分的認識。由于合成鑄鐵需要使用大量的廢鋼，故國內的相關工作主要還在于配料時適當加大碳素廢鋼的比例，采用高碳當量、合金化和孕育處理等措施來改善高強灰鐵的切削性能，確實也取得了一定成效。

（1）石墨形態和分布。灰鑄鐵中的石墨在切削時可起到潤滑作用，其形態和分布是決定灰鐵材料強度和切削性能的關鍵。碳當量高和石墨量多是進口鑄件比國產件加工性能好的原因之一。在保證力學性能前提下，提高石墨含量是促成灰鐵加工性能的最直接有效的方式。當鑄鐵中游離碳化物達到%～5%時，盡管硬度增加不明顯，但其力學性能卻下降明顯，并急劇惡化加工性能。研究表明，細小均勻的A型石墨斷屑性能好，刀具壽命長。

（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。若考慮強度要求，則以中細片狀且分布均勻的珠光體為宜。高強灰鐵中珠光體含量在95%～

98%以上，不均勻的片間距會導致刀片受到斷續沖擊，可能造成刀具微小崩刃。索氏體是高強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行不同的孕育處理將會改變鑄鐵的組織和性能。如合金灰鑄鐵中碳、銅、錫、鉻含量變化對切削刀具（硬質合金）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度的灰鑄鐵的加工性能比較。鈦對灰鑄鐵機械加工性能的影響研究表明，提高鑄件加工性能的關鍵是采用合理的加工工藝參數和降低鈦含量。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，促進石墨的析出和細化，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Mn量太低時，則富裕硫量過多，會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的硫化錳，作為形核劑細化和均勻基體組織，而且在切削加工時，硫化錳會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被認為是對灰鐵件加工性能影響最大的有害元素。因此，想要優化灰鑄鐵的切削性能，必須改善微量元素的含量，嚴格控制爐料。

（5）硬質點顆粒。灰鑄鐵晶界間分布的微小硬質點（碳化物、硫化物顆粒等）適當降低了的韌性，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。研究發現灰鑄鐵“料硬”發生的部位，大都在毛坯的槽、棱角、凸面、表面等局部位置。

（6）鑄造內應力。時效退火可消除90%左右的內應力，還有部分應力需要長期自然時效才能消除。時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。特別對于高速切削而言，晶界處的應力的任何微小變化都會影響到刀具的使用壽命。進口鑄件的切削性能比國產鑄件好很多，就充分說明了長期的運輸和儲存會改善鑄件的切削性能。

（7）鑄造工藝。鑄造工藝對灰鑄鐵的加工性能也有影響。主要體現在以下方面：

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比較好，且加工性能優良。國內工廠為簡化生產工序，一般通過提高生鐵的配比來達到增碳目的。

②熔煉方法和澆注溫度。沖天爐熔煉和感應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有所不同。澆注溫度不同，鐵液中形成的自發核心數量可能會不同，將會影響最終獲取的石墨形態、數量及分布，同樣會對加工性能產生一定影響。

③冷卻速度。據研究發現，石墨形態、數量和基體組織會受到工藝因素如鐵液的冷卻速度快慢的影響。高的冷卻速度可細化晶粒，但鑄件強度、硬度較高，加工性能通常較差。

④開箱溫度。Burke等研究發現，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，材料的強度越高，材質的均勻性越好，但硬度增加不明顯。

二、存在的主要問題及發展趨勢

（1）存在的主要問題

應該說，在廣大鑄造工作者的努力下，目前我國生產的高強度灰鑄鐵件的加工性能已有了明顯的改善，但與國外還存在較大的差距。存在的主要問題是：①原材料質量不夠穩定；②熔煉和孕育變質技術的相對落后；③針對不同的高強度灰鐵件的成分選擇、工藝控制不到位。表現為在相同化學成分下，灰鐵件強度往往比國外鑄件低。即使達到強度要求，其穩定性也很差，廢品率高，組織均勻性較差導致加工性能差，使得生產成本居高不下。

（2）發展趨勢及解決措施

目前，國內外鑄造工作者對高強度灰鑄鐵發展的趨勢已有共識，即“三高一低”。在較高碳當量的條件下，獲得高強度、高剛度、低應力的灰鑄鐵，將強度、硬度、石墨化聯系起來，以達到鑄造性能、力學性能、加工性能的統一。經過大量研究工作，總結出提高灰鐵強度和加工性能的主要措施如下：①調控鐵液化學成分。采用高碳當量灰鑄鐵，調整Si/C和Si-Mn值，提高鐵液的冶金質量；②加入合金元素，低合金化鑄鐵；③提高鐵液熔煉溫度，強化孕育，采用長效高效孕育劑；④采用合成鑄鐵；⑤加強工藝控制。

三、結論

通過采取加大廢鋼比例，適當的合金化處理和強化孕育工藝，控制原材料的品質和生產工藝等措施，已使得高強度灰鑄鐵的切削性能有所改善，但是，由于我國原材料質量的不穩定及生產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，要借鑒國內外先進的理論和實踐經驗，根據實際生產情況，改進材質，優化成分和工藝，才能以較低的成本，穩定生產出強度高、切削性能好的灰鑄件。

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