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(fā)動(dòng)機(jī)缸套供應(yīng)商之一，既要滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)材料使用性能的要求，又需面對(duì)交付后，客戶對(duì)缸套切削加工性能的挑剔，有時(shí)切削加工性能會(huì)成為機(jī)加工與鑄造之間爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。然而，改善切削加工性的呼聲已經(jīng)喊了很多年，由于研究難度大、跟蹤周期長(zhǎng)、投入經(jīng)費(fèi)大等問(wèn)題，致使材料的切削加工性問(wèn)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(fēng)氣盛行，加工切削性能研究被認(rèn)為是 “為他人作嫁衣”，涉足者少之又少。作為一個(gè)鑄造從業(yè)者，鑄造的材質(zhì)多以灰鑄鐵為主，想和那些對(duì)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(rèn)識(shí)和對(duì)待切削加工性能

材料切削加工性能的優(yōu)劣應(yīng)包含以下三個(gè)方面：

①機(jī)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(diǎn)等）。

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

2 切削加工性能與材料鑄造、加工條件和要求的關(guān)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(duì)性；

② 改善切削加工性能不僅僅是機(jī)加工單方面的問(wèn)題，同時(shí)也是材料制作過(guò)程控制的體現(xiàn)；

③加工切削性能的評(píng)判很復(fù)雜，其中既有可量化的內(nèi)容，又有不可量化或難以量化的內(nèi)容。

3 灰鑄鐵材料對(duì)切削加工性能的影響

①石墨對(duì)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(rùn)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(shí)會(huì)顯著影響加工表面的粗糙度。球鐵中球狀石墨數(shù)量多、細(xì)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(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu)秀。

④基體組織對(duì)切削性能的影響

基體對(duì)材料的物理和力學(xué)性能起主要的決定作用，因而對(duì)材料的切削加工性能也從宏觀上起到主要的決定作用?；w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(jié)構(gòu)形態(tài)亦有影響：粒狀珠光體比片狀珠光體硬度稍低。同時(shí)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(shí)，切削加工的難度增加。至于加工表面的粗糙度，可以認(rèn)為在鐵素體和珠光體基體的圍內(nèi)，隨硬度的提高而變好。切削過(guò)程中材料的加工硬化傾向?qū)η邢骷庸ば杂绊懞艽?。如果基體的抗滑移能力強(qiáng)，切削力又大，則材料在加工過(guò)程中將變得越發(fā)難以切削。

⑤晶間偏析相對(duì)切削性能的影響

由于選擇結(jié)晶的結(jié)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(shí)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(dāng)同時(shí)有O富集時(shí)，晶界鐵液將按介穩(wěn)定系轉(zhuǎn)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(guò)了淬火馬氏體的硬度。當(dāng)有M n、Cr存在時(shí)，磷共晶內(nèi)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(zhì)量。M n、Cr均為反石墨化元素，容易在晶界產(chǎn)生碳化物，近晶界奧氏體較為穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。當(dāng)鑄鐵中M n、Cr較多時(shí)，在加工過(guò)程中可能造成刀具的不均衡跳動(dòng)，有損加工面的質(zhì)量。弱正偏析元素M o、W、V在晶界的偏析對(duì)石墨鑄鐵的加工性能影響不大。

⑥晶內(nèi)硬相對(duì)切削性能的影響

晶內(nèi)硬相主要是一些高熔點(diǎn)的碳化物、氧化物和氮化物。這些存在于晶內(nèi)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(nèi)硬相對(duì)切削加工性能是無(wú)益的。Ti C的硬度很高，當(dāng)有N存在時(shí)，鑄鐵中會(huì)同時(shí)生成Ti C、Ti N或Ti（N、C）。Ti C和Ti N是硬質(zhì)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(wú)疑會(huì)傷害刀具。因此，在高級(jí)灰鐵和球鐵生產(chǎn)中，Ti被認(rèn)為是影響切削加工性的不利元素而加以限制。切削實(shí)踐表明，用含Ti量過(guò)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(duì)切削性能的影響

鑄件邊角或薄壁處由于冷卻速度過(guò)快，鐵液按介穩(wěn)定系結(jié)晶而析出自由滲碳體。當(dāng)鐵液含硫量高、氧化較嚴(yán)重、碳當(dāng)量低和孕育不良時(shí)，白口比較容易發(fā)生。感應(yīng)爐鐵液，高溫過(guò)熱、孕育不良也容易產(chǎn)生白口。與表層白口相反，白口產(chǎn)生于鑄件內(nèi)部，稱作反白口。

⑧時(shí)效對(duì)加工切削性能的影響

在客戶的加工過(guò)程中，許多奇怪的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。其中，鑄件存放數(shù)月后，在沒(méi)有任何基體變化的情況下，高速切削時(shí)的刀具壽命就會(huì)比原來(lái)得到大幅度的提高，這個(gè)現(xiàn)象已經(jīng)是被越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)和公認(rèn)的事實(shí)了。這就是鑄造應(yīng)力消除的結(jié)果：鑄件在凝固的過(guò)程中，應(yīng)力產(chǎn)生在晶界處，會(huì)造成晶界處晶格的變形，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，這個(gè)力會(huì)增加斷屑的難度，增大切削的阻力。當(dāng)時(shí)效處理數(shù)月后，隨著應(yīng)力的消失，晶界的斷屑效果改善，切削性能就會(huì)明顯提高。高速切削對(duì)斷屑的變化非常的敏感，這一變化應(yīng)付反應(yīng)在刀具的壽命大幅度提高。這再次說(shuō)明晶界處的物理狀態(tài)對(duì)高速切削過(guò)程來(lái)說(shuō)是非常重要和敏感的，也可以反過(guò)來(lái)說(shuō)明晶界處的微小碳化物顆粒的變化會(huì)影響到刀具的使用壽命。

⑨其它原因?qū)η邢餍阅艿挠绊?/p>

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(guò)大，未熔物殘留于鑄件內(nèi)部，造成局部過(guò)硬。

其它低熔點(diǎn)元素偏析至枝晶間或共晶團(tuán)間，凝固時(shí)易促成特殊組織。如微量Pb（質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0．005%）可使枝晶四周生成網(wǎng)狀石墨。緩冷時(shí)，在更低的Pb量時(shí)會(huì)生成魏氏石墨。Sn會(huì)在共晶團(tuán)邊界形成FeSn2，等等。球鐵中單獨(dú)存在的Sb、Bi、Pb等，既干擾球化也會(huì)影響切削加工性能。

4 如何更好的改善加工切削性能

通過(guò)以上幾點(diǎn)的交流，基體和石墨是鑄鐵牌號(hào)的保證因素。熔煉的任務(wù)首先是要確?；w組織和石墨形態(tài)的穩(wěn)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(tài)是提高切削性能的重要措施。

石墨是灰鑄鐵切削過(guò)程中裂紋擴(kuò)展及斷屑的重要因素，因此改善石墨形態(tài)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?yàn)楦邷厝蹮挻龠M(jìn)增碳的最好措施也能減少鐵液氧化傾向。因此熱風(fēng)沖天爐是必要的硬件條件；對(duì)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(guò)量。

隨流孕育也改善石墨形態(tài)的重要手段，而且建議使用進(jìn)口的隨流孕育劑，但是隨流孕育不能過(guò)量。我們很多人只看到隨流孕育的好處，但是加入量太大，會(huì)增加鐵素體的數(shù)量，提高材料的韌性，這對(duì)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(dāng)增加微小硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量。

這也是我們以前走過(guò)了彎路后得到的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)硬質(zhì)點(diǎn)的過(guò)分擔(dān)心緣于我們推理的錯(cuò)誤，認(rèn)為刀具一定要切過(guò)硬質(zhì)點(diǎn)，而硬質(zhì)點(diǎn)又是那么硬，所以要打刀。實(shí)際上分布在晶間的微小硬質(zhì)點(diǎn)增加了材料的斷屑性能，適當(dāng)提高了材料的脆性，這一點(diǎn)也是使高速切削性能提高的重大突破。多加銅會(huì)提高材料的韌性，并不能改善斷屑性能。

④選用優(yōu)質(zhì)的或高純的生鐵，慎用合金廢鋼，以嚴(yán)控有害元素含量，要嚴(yán)格控制有害元素的含量。從我們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，主要是控制生鐵中鈦、釩的含量，鈦、釩使高速切削性能嚴(yán)重惡化。

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

⑥時(shí)效處理可以大幅提高加工切削性能。

《鑄造手冊(cè)》、《現(xiàn)代鑄鐵》等