近年來(lái),國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展迅速,各大公司全面引進(jìn)汽車產(chǎn)品、加工裝備,以圖在短時(shí)間內(nèi)推出有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品,迅速占領(lǐng)市場(chǎng),鑄件產(chǎn)品一般采用先進(jìn)口后自制方式,其中,灰鑄鐵缸體是產(chǎn)量大的典型鑄件,在國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中,進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)同樣缸體在同一生產(chǎn)線上加工時(shí),國(guó)產(chǎn)鑄件切削加工的生產(chǎn)效率只有進(jìn)口件的40%~80%,刀具的壽命低,嚴(yán)重影響缸體鑄件的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程。東風(fēng)汽車公司,一汽和國(guó)內(nèi)其它一些大型汽車制造廠家都存在相似的問(wèn)題或經(jīng)歷。因此,提高灰鑄鐵缸體的加工性能已成為急迫的問(wèn)題。由于影響灰鑄鐵鑄件加工性的因素眾多,增加了改善加工性的困難,筆者綜合目前國(guó)內(nèi)外灰鑄鐵切削加工性的研究成果,分析影響灰鑄鐵缸體切削加工性能的影響因素,為改善灰鑄鐵缸體加工性能提供參考。

1灰鑄鐵缸體材料及其加工性能

灰鑄鐵缸體一般采用相當(dāng)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HT250牌號(hào)材料制造。如神龍TU3F缸體采用法國(guó)PSA集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn),為無(wú)缸套缸體;缸體主要檢查頂面及距頂面50mm處缸筒硬度,要求硬度達(dá)到207~241HBS,未提出明確強(qiáng)度要求;缸筒壁上石墨為片狀A型石墨、4級(jí),不允許C型;基體組織為珠光體≥95%,游離碳化物≤2%;國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中,鑄件毛坯與進(jìn)口缸體鑄件的成分相同,國(guó)產(chǎn)件的硬度略低于進(jìn)口鑄件;在常規(guī)金相檢查中,進(jìn)口鑄件和不同磨削時(shí)間的國(guó)產(chǎn)鑄件在同樣加工部位的石墨和基體組織均沒(méi)有明顯差別,但在自動(dòng)線上加工時(shí),國(guó)產(chǎn)件的缸頂面珩磨和鏜孔時(shí)間比進(jìn)口件長(zhǎng),刀具壽命低。

東風(fēng)汽車有限公司鑄造分公司的主導(dǎo)產(chǎn)品為康明斯6B缸體、缸蓋,材料為HT250,分別在E加工線和W加工線加工。E加工線為國(guó)產(chǎn)自動(dòng)加工線,粗加工線速度一般小于100m/min,國(guó)產(chǎn)氣缸體鑄件材料加工性能良好,刀具壽命能滿足生產(chǎn)要求;W加工線為進(jìn)口高速自動(dòng)加工線,粗加工線速度可達(dá)870m/min,國(guó)產(chǎn)氣缸體鑄件材料加工性差,刀具壽命僅為進(jìn)口鑄件的30%左右,降低了生產(chǎn)效率,顯著增加了刀具損耗,引起了加工廠的抱怨,強(qiáng)烈要求改善缸體缸蓋鑄件材料加工性能。

國(guó)產(chǎn)鑄件在同樣的加工條件下與國(guó)外鑄件相比,加工性能差并非傳統(tǒng)意義上的鑄件尺寸偏差大、加工余量大、表面質(zhì)量差、邊角白口、硬質(zhì)點(diǎn)等常見(jiàn)原因,而是鑄件材料的強(qiáng)度、硬度、金相組織均無(wú)異常的情況下,普遍出現(xiàn)精加工工序刀耗大、加工時(shí)間長(zhǎng)、鑄件加工表面粗糙度差等問(wèn)題。

2影響灰鑄鐵加工性能的因素分析

2.1灰鑄鐵化學(xué)成分的影響

2.1.1C和Si

一般加工性理論認(rèn)為,使用高速鋼刀具、切削速度小于150m/min的條件下,石墨粗大,刀具壽命增加,隨著灰鑄鐵中石墨相對(duì)體積的增加,石墨片尺寸相對(duì)增加,加工性指數(shù)呈增加趨勢(shì),但石墨數(shù)量越少,則加工后表面粗糙度越小。在硬質(zhì)合金刀具、350m/min高速切削條件下,石墨量的變化使刀具壽命變化較小。因此可以推斷,使用陶瓷刀具、在870m/min超高速切削條件下,w(C)量高對(duì)提高陶瓷刀具的壽命作用不大。東風(fēng)汽車公司鑄造分公司a試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),將缸體w(C)量從3.31%增加到3.42%,缸體粗鏜缸孔刀具壽命從20件提高到22件,說(shuō)明w(C)量不是影響灰鑄鐵的主要因素。

Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素,能降低鐵液的白口傾向、減少組織中的碳化物。曾有工廠采用高Si/C比生產(chǎn)高強(qiáng)度、低應(yīng)力機(jī)床床身等灰鑄鐵件。但是,Si也有負(fù)面影響,增加w(Si)量會(huì)增加組織中的鐵素體量,而且w(Si)高使A1溫度升高,珠光體在較高的溫度下形成,片間距大,珠光體的強(qiáng)度低。因此在強(qiáng)化孕育效果時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制w(Si)量。

2.1.2Mn和S

對(duì)S在灰鑄鐵中作用的認(rèn)識(shí)是一個(gè)逐步提高的過(guò)程,從認(rèn)為S是有害元素,到灰鑄鐵中要加入一定量的S來(lái)改善孕育效果和石墨形態(tài),從而改善切削加工性能,逐步認(rèn)識(shí)到灰鑄鐵中w(S)在一定范圍內(nèi)是有利的,這個(gè)范圍是0.08%~0.12%。當(dāng)w(S)小于0.05%時(shí),一定要進(jìn)行增S處理,以改善孕育效果。

AdrianaAnaPereira等人研究了S對(duì)FC25(相當(dāng)于HT250)灰鑄鐵加工性能的影響。其試驗(yàn)條件是,中頻感應(yīng)電爐熔煉,爐料主要是廢鋼和回爐料,以石墨增C,鐵液的w(C)和w(Si)分別為3.40%和2.15%,利用黃鐵礦(FeS2)增S,w(S)分別控制在0.065%、0.12%、0.15%和0.18%。采用FeSiCaAl孕育處理。組織和性能分析試驗(yàn)表明,w(S)的變化對(duì)FC25灰鑄鐵的硬度和共晶團(tuán)數(shù)無(wú)顯著影響,試樣強(qiáng)度的差為17MPa。不同w(S)的試樣均為A型石墨,石墨的長(zhǎng)度和分布以及珠光體組織并未因w(S)的不同而呈現(xiàn)明顯的差別。當(dāng)w(S)量為0.065%時(shí)為Ⅰ型硫化物;w(S)為0.12%時(shí)試樣主要為Ⅰ型硫化物,含有少量的Ⅲ型硫化物;w(S)量為0.15%時(shí),Ⅰ型和Ⅲ型硫化物的數(shù)量相當(dāng);而w(S)為0.18%時(shí)試樣的硫化物主要為Ⅲ型和少量的Ⅰ型。

切削試驗(yàn)結(jié)果表明,在切削速度為100m/min,w(S)為0.12%和0.18%時(shí)FC25的加工性無(wú)明顯差別;在切削速度為150m/min和200m/min,w(S)為0.12%、0.15%和0.18%時(shí)加工性也無(wú)顯著差別。比較w(S)0.065%和w(S)0.18%的試樣可知,影響切削加工性能的主要因素是硫化物所占的面積比,而不是硫化物形態(tài)。與w(S)0.12%試樣相比,w(S)0.065%試樣加工刀具壽命在切削速度100、150和200m/min的條件下分別下降了24%、32%和38%。在四種w(S)量試樣的切削加工中,只有w(S)0.065%的試樣發(fā)生了比較嚴(yán)重的切削粘刀。上述數(shù)據(jù)表明,在灰鑄鐵中添加S,形成一定數(shù)量的MnS可以改善灰鑄鐵的切削加工性能。筆者對(duì)進(jìn)口神龍缸體的微觀組織進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)較多的細(xì)小MnS呈多邊形分布于珠光體基體,但進(jìn)口件的加工性能好是否和MnS有關(guān)還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2合金元素的影響

為了提高缸體的力學(xué)性能(特別是硬度)與熱疲勞性能,缸體生產(chǎn)中常常添加少量的合金元素,這些合金元素主要是:Cr、Cu、Sn、Sb等。下面分析這些合金元素對(duì)灰鑄鐵加工性的影響。

2.2.1Cr灰鑄鐵缸體Cr合金化可以提高和穩(wěn)定缸體的硬度,但Cr是一種強(qiáng)碳化物形成元素,會(huì)增加鐵液的過(guò)冷傾向,在缸體的薄壁處形成白口組織,使加工困難。一汽鑄造有限公司鑄造二廠在捷達(dá)缸體的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在孕育劑中Cr與Mn、Si和微量的Sb復(fù)合加入所獲得的試樣比在爐料中單獨(dú)加入Cr合金的要好。

2.2.2Cu

Cu是一種中等石墨化元素,能降低共析轉(zhuǎn)變溫度,促進(jìn)并細(xì)化珠光體,阻礙鐵素體形成。Cu很少單獨(dú)使用,通常和碳化物形成元素聯(lián)合使用,效果更好。和Cu配對(duì)的元素有Cr、Mo、Mn、V等。一汽的試驗(yàn)結(jié)果表明,Cu加入量加大時(shí),組織中易出現(xiàn)B型石墨和一定數(shù)量的索氏體,這兩種組織對(duì)加工性能都是不利的。因?yàn)橄鄬?duì)于A型石墨,B型石墨不利于刀具的潤(rùn)滑和斷屑而加劇刀具的磨損;索氏體是鑄鐵組織中的高強(qiáng)度相,增加了刀具磨損。當(dāng)w(Cu)>0.3%時(shí),刀具的磨損急劇上升,合理的w(Cu)的加入量為0.15%~0.25%。

2.2.3Sn

Sn可增加珠光體量而提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度,Sn對(duì)共晶反應(yīng)幾乎沒(méi)什么影響,也不改變石墨形態(tài),但對(duì)共析反應(yīng)影響極大。Sn強(qiáng)烈促進(jìn)基體珠光體化,其作用十倍于銅,是提高鑄鐵強(qiáng)度、硬度、組織均勻性和耐磨性很有效的元素。但在灰鑄鐵缸體中w(Sn)應(yīng)低于0.1%,實(shí)際加入量約0.035%。

2.2.4Sb

Sb在鑄鐵中是一種低熔點(diǎn)表面活性物質(zhì),一次結(jié)晶時(shí)阻礙碳原子的擴(kuò)散遷移墨和共晶團(tuán)難于長(zhǎng)大,鐵液過(guò)冷傾向增加。Sb是一種強(qiáng)的珠光體化元素,比錫強(qiáng)2倍,比銅強(qiáng)100倍,但Sb易于晶間偏析。東風(fēng)汽車公司的試驗(yàn)結(jié)果表明,加入w(Sb)0.004%可以明顯提高硬度,改善斷面敏感性;加少量的w(Sb)不會(huì)影響縮尺、白口和石墨形態(tài);當(dāng)w(Sb)量大于0.03%后,鑄鐵開(kāi)始變脆、撓度開(kāi)始下降。為此建議w(Sb)加入量為0.004%~0.006%。

2.3熔煉與孕育處理的影響

熔煉工藝直接關(guān)系到鐵液的質(zhì)量,對(duì)缸體鑄件的組織和性能有著重要的影響。由于熔煉工藝的不同,會(huì)導(dǎo)致石墨形態(tài)和尺寸、自由鐵素體的數(shù)量、珠光體的細(xì)化及碳化物數(shù)量的差異,這些顯微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了缸體鑄件的強(qiáng)度、硬度和切削加工性能。

缸體鐵液好采用沖天爐—感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉,這樣既可保證有足夠量的鐵液,又可獲得高溫、成分穩(wěn)定的鐵液。例如,法國(guó)SEPTFONS鑄造廠采用水冷熱風(fēng)(400~800℃)沖天爐與無(wú)芯工頻感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉,采用氣壓保溫包澆注,澆注溫度控制在1420±10℃,并對(duì)鐵液進(jìn)行隨流孕育。德國(guó)的KHD和哈爾博鑄造廠均采用雙聯(lián)熔煉,沖天爐富氧送風(fēng),焦炭質(zhì)量較好,鐵液溫度能達(dá)到1550℃以上。當(dāng)采用工頻爐作為熔煉設(shè)備時(shí),鐵液會(huì)有較大的白口傾向和縮松傾向,此時(shí)必須增S[w(S)>0.08%],且進(jìn)行充分孕育。

在爐料方面,國(guó)外爐料多采用廢鋼+增碳、增硅劑,不用或少用生鐵,即“合成鑄鐵”。在相同碳當(dāng)量情況下,合成鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比普通灰鑄鐵高l5~30MPa,硬度高l0HB左右,石墨全為A型,組織的均勻性較好。表1為江蘇大學(xué)關(guān)于廢鋼配用量的試驗(yàn)結(jié)果,表中結(jié)果表明,增加廢鋼的用量可提高灰鑄鐵的硬度和硬度的均勻性。

采用隨流孕育對(duì)提高硬度也有一定的作用,大約可提高硬度值5~10HB,同時(shí)減小了鑄件斷面敏感性,使得缸頂面及缸筒內(nèi)各點(diǎn)硬度分布更加均勻,從而改善灰鑄鐵的切削加工性能。但是隨流孕育加入量不能太大,否則會(huì)增加鐵素體的數(shù)量,提高材料的韌性,這對(duì)高速切削的斷屑性是不利的。

孕育劑中的w(Ca)量對(duì)灰鑄鐵加工性具有一定的影響,當(dāng)孕育劑中的w(Ca)量在1.5%~3.0%時(shí),在刀尖表面形成CaO-Mn2O3-SiO2的三元復(fù)合氧化物,熔點(diǎn)1553K,在刀尖軟化,起到潤(rùn)滑作用。當(dāng)w(Ca)量超出這個(gè)范圍,刀尖的復(fù)合氧化物形態(tài)發(fā)生改變、熔點(diǎn)升高,不能軟化起潤(rùn)滑作用,對(duì)加工性能不利。

2.4灰鑄鐵組織與硬度的影響

由神龍缸體和捷達(dá)缸體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知,灰鑄鐵缸體的石墨形態(tài)應(yīng)為均勻分布的A型石墨,不允許出現(xiàn)C型石墨。B型石墨不利于刀具的潤(rùn)滑和斷屑而加劇刀具的磨損。從基體組織來(lái)看,索氏體是鑄鐵中的高強(qiáng)度相,會(huì)加劇刀具的磨損。圖3為進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)神龍缸體的基體組織,由圖可知,進(jìn)口鑄件的珠光體片間距均勻,而國(guó)產(chǎn)鑄件的珠光體片間距均勻性較差,局部存在索氏體組織。因此,珠光體組織的不均勻以及索氏體的存在應(yīng)該是刀具磨損增加的原因之一。

細(xì)化灰鑄鐵的共晶團(tuán),可使共晶團(tuán)內(nèi)的石墨細(xì)化,細(xì)小的A型石墨均勻地分布在珠光體基體上,在切削加工過(guò)程中,刀具和石墨接觸的機(jī)會(huì)增加,由于石墨的缺口作用而改善灰鑄鐵的加工性能。共晶團(tuán)細(xì)化,灰鑄鐵的強(qiáng)度和硬度增加,因此,硬度增加并不一定惡化灰鑄鐵的加工性。東風(fēng)汽車公司鑄造分公司對(duì)進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的康明斯缸體解剖分析發(fā)現(xiàn),進(jìn)口缸體共晶團(tuán)晶界比較容易腐蝕,晶界也比較清晰。國(guó)產(chǎn)缸體晶界比較寬、模糊。進(jìn)口件的硬度比國(guó)產(chǎn)的高,共晶團(tuán)尺寸細(xì)小、數(shù)量多。

2.5硬質(zhì)點(diǎn)的影響

國(guó)產(chǎn)灰鑄鐵缸體的基體組織中發(fā)現(xiàn)有碳化物、氮化物等硬質(zhì)點(diǎn),一般認(rèn)為硬質(zhì)點(diǎn)會(huì)打刀,因而影響灰鑄鐵的加工性能。所以要改善切削性能,就要盡可能采取措施減少硬質(zhì)點(diǎn),數(shù)量越少越好。因此通常合金化大都采取以加Cu、Sn為主,并且加大孕育量,認(rèn)為這可以減少硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量,對(duì)切削性能有利。

但是,微小的碳化物、磷共晶以及TiC、TiN顆粒硬度都很高,這些硬質(zhì)點(diǎn)從基體上剝落下來(lái)的阻力并不是很大,在高速切削時(shí),它們很容易從基體中剝落,對(duì)刀具的磨損影響不大。如果采用加入Cu、Sn為主的合金化,用強(qiáng)有力的孕育措施大幅消除晶間碳化物、磷共晶以及其他硬質(zhì)點(diǎn)顆粒時(shí),改善了韌性,切削時(shí)斷屑不好,造成切削溫度升高,就會(huì)加速刀具的磨損,降低刀具的使用壽命。

3結(jié)束語(yǔ)

目前,國(guó)產(chǎn)灰鑄鐵缸體的材料性能已達(dá)到進(jìn)口件的水平,能進(jìn)行批量生產(chǎn),缸體的加工性能經(jīng)國(guó)內(nèi)大量的研究,也得到了一定的改善。但是,加工性能差仍是制約國(guó)產(chǎn)灰鑄鐵缸體發(fā)展的主要因素之一。雖然國(guó)產(chǎn)灰鑄鐵缸體加工性能的原因比較復(fù)雜,研究結(jié)果和認(rèn)識(shí)也不完全統(tǒng)一,但筆者在神龍缸體的加工性能研究中發(fā)現(xiàn),國(guó)產(chǎn)件和進(jìn)口件在成分和性能基本相同的條件下,其宏觀和微觀組織有較大的差異,同時(shí)加工性能差異也較大,這為我們從組織分析和改進(jìn)入手來(lái)改善加工性能提供了一條有效的途徑。因此,如能在這方面進(jìn)行系統(tǒng)深入的工作,可進(jìn)一步探明造成國(guó)產(chǎn)灰鑄鐵缸體加工性能差的深層次原因,并找出有效的解決措施,從而提高我國(guó)缸體生產(chǎn)水平,促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展。