不同孕育劑處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵加工性能研究

1、不同孕育劑處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵加工性能研究黃勝操1，任鳳章1，李鋒軍2，張旦聞3，孫娟3（1. 河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2. 中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471004；3 洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)電工程系，河南洛陽(yáng) 471023）摘要：為研究不同孕育劑對(duì)灰鑄鐵切削加工性能的影響，制備了高強(qiáng)度ht350材質(zhì)的試樣。對(duì)比研究了孕育劑75sife、srsi、basi、sis（r 80%）+75fes（i 20%） 處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵的力學(xué)性能和切削加工性能。結(jié)果表明，sis（r 80%）+75fes（i 20%） 復(fù)合孕育處理的灰鑄鐵較單一孕育處理的灰鑄鐵石墨細(xì)小彎曲，基體組

2、織均勻性好，具有較高的硬度以及較小的切削 抗力，但其斷面敏感性較大。單一孕育劑中75sife孕育處理的灰鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度、較小的硬度以及較低的斷 面敏感性?；诣T鐵中a型石墨越細(xì)小，基體組織越均勻，灰鑄鐵的加工性能越好，說(shuō)明顯微組織的均勻性對(duì)灰鑄鐵的 加工性能具有較大影響。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度灰鑄鐵；孕育處理；切削加工性能中圖分類號(hào)：tg251.1+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1001-4977 （2012） 06-0598-06study on machinability of high strength gray cast ironusing different inoculantshuang

3、 sheng-cao1, ren feng-zhang1, li feng-jun2, zhang dan-wen3, sun juan3（1. school of materials science and engineering, henan university of science and technology, luoyang 471003, henan, china;2. institute of materials and technology, yto group corporation, luoyang 471004, henan, china; 3. department

4、of mechanical and electrical engineering, luoyang institute of science and technology, luoyang 471023, henan, china）abstract： the high strength test samples of gray cast iron ht350 was prepared by adding different inoculants. the mechanical property and machinability of high strength gray cast iron

5、with various inoculantsincluding 75sife, srsi, basi, and sisr （80%） + 75fesi （20%） were investigated. the results show thatthe gray iron with the compound inoculation containing 80wt.% sisr and 20wt.% 75fesi had smaller graphite morphologies, more homogeneous microstructure, higher hardness, and low

6、er cutting resistance than those inoculated by a single inoculants, but had larger section sensitivity. compared with other single inoculant, the gray cast iron inoculated by single 75fesi had higher tensile strength, smaller hardness and lower section sensitivity. the smaller graphite morphologies

7、and the more homogeneous microstructure in gray cast iron, the better machinability gray cast iron has, which shows the homogeneousness of the microstructure of the gray cast iron has great effect on the machinability.key words：high strength gray cast iron; inoculation; machinability灰鑄鐵具有優(yōu)異的鑄造成形性，減磨

8、減震性，并且成本低廉，在機(jī)械、冶金、汽車等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 目前，大型載重汽車和拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體大多采用灰 鑄鐵來(lái)制造，但是灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較低，隨著汽車輕 量化、大功率化的發(fā)展，灰鑄鐵材料的薄壁高強(qiáng)度化要 求也越來(lái)越高1。高強(qiáng)度灰鑄鐵的研究在“七五”期間 就被列為科技攻關(guān)課題，科研工作者在高強(qiáng)度灰鑄鐵材 質(zhì)的合金成分設(shè)計(jì)、微合金化以及孕育等方面開(kāi)展了大 量研究工作，取得了一定的成果2。如生產(chǎn)大馬力柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件時(shí)通過(guò)加入一定量的鉬、鉻、銅和鎳等合金元素以提高灰鑄鐵的性能3。然而合金元素的增加勢(shì)必導(dǎo)致切削抗力的增加，從而導(dǎo)致刀具磨損加劇。近年來(lái)隨著中外合作交流的加強(qiáng)，在許多中外合 資

9、的汽車廠中，國(guó)內(nèi)外兩種同牌號(hào)鑄件同線加工，都 出現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)的灰鑄件缸體在加工時(shí)刀具磨損要比進(jìn)口 鑄件大得多的情況，這嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率4。特別是 目前企業(yè)普遍采用數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)加工線、高速切削 工藝和優(yōu)質(zhì)刀具，材料的切削加工性能對(duì)刀具的磨損 和使用壽命十分敏感。國(guó)內(nèi)研究者發(fā)現(xiàn)：孕育處理不 僅可以最大限度地減少鑄件薄壁部分的白口傾向，改基金項(xiàng)目：河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目 （104100510005）；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目 （2009hastit023）；洛陽(yáng)市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目 （0901011a）。收稿日期：2012-02-21。 作者簡(jiǎn)介：黃勝操 （1989-），男，碩

10、士生，主要從事灰鑄鐵切削加工性能研究。 通訊作者：任鳳章，博士，教授，e-mail：renfz鑄造599 黃勝操等：不同孕育劑處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵加工性能研究善鑄件的顯微組織和性能，細(xì)化晶粒，而且可以提高灰鑄鐵件強(qiáng)度，因此，采用孕育處理提高灰鑄鐵的加 工性能是一條切實(shí)可行的方法5。然而不同孕育劑對(duì)高 強(qiáng)灰鑄鐵件的加工性能的影響還鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)對(duì)75sife、srsi、basi、sis（r 80%）+75fes（i 20%） 四種孕 育劑對(duì)灰鑄鐵切削加工性能的影響進(jìn)行了定量的分析 研究，并結(jié)合試樣的力學(xué)性能及組織形態(tài)，分析了不 同孕育劑處理的灰鑄鐵組織與性能的關(guān)系。1 試驗(yàn)方法1.1 試樣制備試

11、樣選用高強(qiáng)度ht350材質(zhì)，所用原材料及質(zhì)量配 比為：生鐵回爐料廢鋼=501040，采用250 kg酸性中 頻感應(yīng)爐熔煉，出爐溫度1 510 ，澆注溫度1 480 ， 加入合金處理后的鐵液成分 （未孕育） 經(jīng)直讀光譜分析儀arl4460測(cè)得結(jié)果如表1所示。選用的4種孕育劑分別 為75sife、srsi、basi、sis（r 80%）+ 75fes（i 20%） 復(fù)合孕育劑，包內(nèi)孕育，加入量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 為0.6%。共澆注四組試樣，每組分別澆注100 mm350 mm測(cè)試 切削加工性能的圓柱形試樣1根、測(cè)試斷面敏感性階梯 試樣1件，測(cè)試強(qiáng)度的拉伸試樣4根。1.2 試樣力學(xué)性能檢測(cè)及組織觀察試樣

12、抗拉強(qiáng)度通過(guò)waw-y500型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 測(cè)定，拉伸試樣按gb/t 2282002制備，結(jié)果取四根 拉伸試樣的平均值；階梯試樣的平均硬度和斷面敏感 性通過(guò)hb-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)定階梯試樣不同厚度 處的硬度得到；拉伸試樣做過(guò)抗拉強(qiáng)度測(cè)試后，從四 種材料中分別選取一根與其平均值最接近的試樣，在 斷口處橫向切取一部分制備金相試樣。用olympus pmg3金相顯微鏡配合siscas.v8.0金相圖像分析軟件 對(duì)金相試樣的石墨形態(tài)和含量、基體組織、珠光體分 布和含量等進(jìn)行顯微組織分析；金相試樣基體的顯微 硬度用mh-3型顯微硬度計(jì) （載荷200 g，保載10 s） 測(cè) 定，顯微硬度值為每個(gè)試

13、樣上測(cè)10個(gè)點(diǎn)的平均值。表1 不同孕育劑處理的原鐵液的化學(xué)成分table 1 chemical composition of the original gray cast iron and several different inoculantswb/%試樣編號(hào)孕育劑csimnpscucrmo123475sifesrsibasisis（r 80%）+75fes（i 20%）2.922.972.882.991.801.941.891.890.830.820.830.830.0370.0370.0360.0360.0480.0490.0450.0480.490.500.480.480.300.29

14、0.280.280.2960.2980.2940.2981.3切削試驗(yàn)加工性能檢測(cè)通過(guò)車刀在ca6140 臥式車床上切 削加工圓柱試樣時(shí)所產(chǎn)生的切削力大小來(lái)衡量。利用 dh5923動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定切削力。車刀選用 機(jī)夾車刀，刀片為同一廠家生產(chǎn)的同一批次yg8硬質(zhì) 合金刀片。為了盡量減少裝換刀的誤差和刀具磨損對(duì) 試樣切削力的影響，在進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)一把刀只切一 個(gè)試樣。在切削試驗(yàn)時(shí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速 （160 rmin -）1 和進(jìn)給率 （0.294 mmr -）1保持不變，只改變切削深 度 ，切 削 深 度 分 別 選 用 2 mm 、 2.5 mm 、 3 mm 、3.5 mm 。2試驗(yàn)結(jié)果與

15、分析2.1高強(qiáng)度灰鑄鐵的切削加工性能灰鑄鐵的切削加工性能一般通過(guò)刀具壽命、切削 阻力、每把刀能切削的材料體積、材料表面光潔度等 來(lái)衡量。本試驗(yàn)主要通過(guò)切削試樣時(shí)，車刀所受切削 阻力的大小來(lái)表示試樣的切削加工性能。定義平行于機(jī)床的主軸方向 （定義為x向） 的力為 進(jìn)給抗力；垂直于機(jī)床主軸的水平方向 （定義為y向） 的力為切深抗力；豎直向下的力 （定義為z向） 為主切 削力。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率一定，灰鑄鐵不同切削深度時(shí)三個(gè)方向的切削抗力分別如圖1、圖2和圖3所示。從圖中可以看出：在四種切削深度下，試樣3的進(jìn) 給抗力、切深抗力和主切削力均最高，試樣4進(jìn)給抗 力、切深抗力和主切削力最低，試樣1和試樣

16、2的進(jìn)給 抗力、切深抗力和主切削力介于中間。由此可以得出，在切削加工過(guò)程中試樣4切削抗力 最小，試樣3的切削抗力最大，試樣2和試樣1切削抗力 處于中間。試樣在切削加工過(guò)程中所受到的切削抗力 在很大程度上能夠反映材料的切削加工難易程度，切 削抗力越小，刀具磨損就越小，材料的切削加工性能 就越好。因此，試樣4切削加工性最好，試樣2和試樣1次之，試樣3切削加工性最差。2.2 高強(qiáng)度灰鑄鐵的力學(xué)性能不同孕育劑處理的灰鑄鐵力學(xué)性能的變化如表2 所 示 。 試 樣 的 抗 拉 強(qiáng) 度 在 356385 mpa， 均 達(dá) 到 ht350的要求。其中75sife孕育的抗拉強(qiáng)度最大，復(fù) 合孕育劑孕育的試樣抗拉強(qiáng)

17、度最小。不同孕育劑處 理的灰鑄鐵硬度基本相當(dāng)，但復(fù)合孕育劑處理的灰 鑄鐵斷面敏感性最大，srsi孕育劑處理的灰鑄鐵斷面 敏感性最小，經(jīng)srsi孕育處理的灰鑄鐵的硬度受壁厚 變化的影響較小 。 四 組試樣的硬度變 化 范 圍 在hv 384398。j un. 2012vol.61 no.6 600foundry鑄造601 黃勝操等：不同孕育劑處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵加工性能研究表2 試驗(yàn)合金的力學(xué)性能table 2 mechanical properties of the experimental gray cast iron布氏硬度hb抗拉強(qiáng)度/mpa編號(hào)孕育劑基體顯微硬度hv平均值斷面敏感性hb1

18、23475sifesrsibasisis（r 80%）+75fes（i 20%）385376376356252250256259332941653873843953982.3高強(qiáng)灰鑄鐵的組織分析常用灰鑄鐵中由于有石墨的存在，石墨的抗拉 強(qiáng)度幾乎為零，所以可以把鑄鐵看成是布滿裂紋或 空洞的鋼。石墨不僅破壞了基體的連續(xù)性，減少了 金屬基體承受載荷的有效截面積，使實(shí)際應(yīng)力大大 增加，同時(shí)，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，使尖 角處的應(yīng)力遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力?；诣T鐵中的石墨片數(shù) 量越多、尺寸越大、分布越不均勻，對(duì)力學(xué)性能的 影響就越大6。孕育劑的作用是使鑄鐵在凝固期間促進(jìn)石墨化， 細(xì)化晶粒，減少自由鐵素體的含量

19、，均勻不同壁厚鑄 件的顯微組織和性能，從而改善灰鑄鐵的性能。通過(guò) 比較，經(jīng)四種孕育劑處理的灰鑄鐵的石墨形態(tài)照片如 圖4所示。由圖4可以看出，四種試樣的微觀組織基本都以a型石墨及珠光體基體組成，一些區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)d型石墨。試樣4中石墨長(zhǎng)度最短、形狀細(xì)小彎曲且分布最均 勻，試樣3石墨形狀平順，長(zhǎng)度較長(zhǎng)且端部變鈍?；诣T 鐵在高速旋轉(zhuǎn)的刀具切削作用下，細(xì)小、均勻的石墨 組織能提高切屑的變形，減小刀具的摩擦作用力和磨 損面積，從而提高刀具的切削加工壽命，因此試樣3的 切削加工性能差，切削阻力最大。圖5是4組灰鑄鐵的基體組織照片。從圖中可以看 出，灰鑄鐵的基體組織均為95%珠光體基體。不同孕 育處理的灰鑄鐵

20、珠光體的片間距、層片狀結(jié)構(gòu)和碳化 物的大小都不同。試樣1和試樣4的珠光體片間距均勻， 且試樣4的局部區(qū)域存在微量鐵素體，所以4號(hào)試樣在 切削試樣中的切削抗力最小。從鑄件的顯微組織分析 可以看出，灰鑄鐵中的a型石墨含量越多，基體組織 越均勻，灰鑄鐵的加工性能越好。j un. 2012vol.61 no.6 602foundry鑄造603 黃勝操等：不同孕育劑處理的高強(qiáng)度灰鑄鐵加工性能研究以改善灰鑄鐵組織中的石墨形態(tài)和提高組織均勻性有利于灰鑄鐵加工性能的提高。3結(jié)論（1） 由孕育處理后的鑄鐵件加工性能測(cè)試結(jié)果可 知，sis（r 80%）+75fes（i 20%） 復(fù)合孕育處理的灰鑄鐵 的切削抗力最小。試樣的切削加工性能與鑄件的組織 有很大關(guān)系，灰鑄鐵中a型石墨的含量越多，基體組 織越均勻，灰鑄鐵的加工性能越好，說(shuō)明顯微組織的 均勻性對(duì)灰鑄鐵加工性能具有很大影響。（2） 從孕育處理后鑄鐵的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以 看出，75fesi 孕育處理的灰鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng) 度、較小的硬度以及較低的斷面面敏感性。si