抗拉强度铸铁的切削性能对比范文

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《河南科技大学学报》2016年第二期

摘要：

浇铸了1种球墨铸铁、3种蠕墨铸铁和1种灰铸铁，测试了这5种具有不同抗拉强度试样的主切削力，并分析了抗拉强度与主切削力之间的关系，以及抗拉强度、主切削力与组织的关系。研究结果表明：3种石墨形态的铸铁，其抗拉强度和主切削力均受石墨形态和基体组织的影响，但石墨形态对抗拉强度的影响更为显著，而基体中的珠光体含量对主切削力影响更为显著。不同种类的铸铁，抗拉强度与主切削力之间没有严格的对应关系。

关键词：

抗拉强度；铸铁；石墨形态；切削性能

随着汽车行业的发展，对发动机缸体比强度（断开时单位面积所受的力）的要求越来越高。一般来说，提高缸体的比强度，能使发动机缸体所允许的最大燃烧压力提高，从而使燃油能够充分燃烧，提高燃油利用率。同时，比强度的提高，可以实现汽车轻量化，从而进一步降低油耗，达到节能环保的目的［1］。对铸铁材质的发动机缸体，若提高发动机缸体的比强度，则其他性能如导热性和消震性就会相应下降［2］，尤其是机加工性能会大大降低，从而不利于进行机加工，也影响批量化的流水线作业生产。因此，抗拉强度与加工性能一直是发动机缸体用铸铁件性能方面的重要指标。对于铸铁来说，一般抗拉强度越高，切削加工时刀具所受作用力及磨损越大，寿命越短［3］。到目前为止，国内外对铸铁加工性能已有许多研究。文献［4］从切削合力和刀具磨损方面描述了两种孕育剂对灰铸铁加工性能的影响。文献［5］研究了蠕墨铸铁中添加合金元素Mo、Ti，对蠕墨铸铁显微组织、力学性能以及加工性能的影响。文献［6］对比研究了一种蠕墨铸铁在不同等温淬火温度和时间下的切削力大小。文献［7］研究了蠕墨铸铁合金元素Ti质量分数对刀具磨损、切削力和表面粗糙度的影响。但目前对不同抗拉强度且有不同石墨形态铸铁（不同铸铁种类）的加工性能对比研究却未见报道。本试验浇铸了5种不同抗拉强度的铸铁（1种球墨铸铁、3种蠕墨铸铁和1种灰铸铁），对比研究了它们的主切削力大小，并分析了主切削力与组织形态的关系。

1试验材料及方法

抗拉强度／MPa707541417317214试验所浇铸的5种试样编号及抗拉强度如表1所示。表1中，1号样为球墨铸铁（QT），2～4号样为蠕墨铸铁（RuT），5号样为灰铸铁（HT）。将不同抗拉强度的5根切削力测试试棒加工至同一直径（Ф72mm）。在CA6140A机床上对5根试棒进行切削试验，机床转速为180r／min，轴向进给量为0．30mm／r。切削过程中通过测量装夹车刀的八角环应变μ来实现主切削力Fz的测量。本次试验标定的μ与Fz的关系为Fz＝36．41×106μ＋9．976。石墨形态及基体组织用OLYMPUSPMG3金相显微镜，配合SISCAS．V8．0金相图像分析软件进行测定和分析。

2试验结果及分析

2．1铸铁试样的微观组织5种试样的石墨形态如图1所示。从图1中可以看出：1号样石墨形态呈不规则球状，为球墨铸铁，对比国家标准GB／T9441—2009可知，球化级别为3级；2～4号样石墨呈蠕虫状，为蠕墨铸铁，对比国家标准GB／T26656—2011可知，其蠕化率分别为95％、95％和85％；5号样石墨形态呈片状，为灰铸铁，对比国家标准GB／T7216—2009可知，石墨片为A型分布，级别为片状4级。5种试样的球化级别、蠕化率、片状石墨级别以及珠光体的体积分数如表2所示。从表2中可以看出：1～3号样的基体中珠光体体积分数比较接近；4号样基体中珠光体体积分数很低；5号样基体中基本全部为珠光体。

2．2铸铁试样微观组织与抗拉强度间的关系石墨形态、数量、尺寸大小以及分布情况对铸铁抗拉强度的影响非常大。5种试样的抗拉强度如表1所示，其抗拉强度顺序为：1号样＞2号样＞3号样＞4号样＞5号样，其原因主要在于石墨形态。在球墨铸铁中石墨形态为团球状，表面比较圆润，石墨表面的应力集中作用相对于蠕虫状和片状来说小得多。同样，蠕虫状石墨端部圆钝，且石墨长度比片状石墨短得多，故蠕虫状石墨比片状石墨应力集中作用及对基体的分割作用要小得多。灰铸铁中的石墨形态呈针片状，石墨细长且其端部尖锐，对基体的割裂作用很大且与基体界面处应力集中效应很大，在外界拉应力作用下很容易形成裂纹源并进行扩展。石墨形态从球状到蠕虫状再到片状，石墨的比表面积增大，对基体的分割作用越来越大，石墨边缘越尖锐，石墨端部的应力作用越大。因此，相对于石墨呈片状的灰铸铁，球墨铸铁需要吸收更大的能量，即需要更大的外界拉应力才能够形成裂纹源［8］。故在基体组织差别不是非常大的情况下（如：1～3号样和5号样的基体组织主要为珠光体），从石墨形态来说，球墨铸铁的抗拉强度要大于蠕墨铸铁，也大于灰铸铁。2～4号样为同一类铸铁（蠕墨铸铁），石墨形态虽都是蠕虫状，但其抗拉强度差异较大。3种石墨分布都比较均匀，2号样的石墨相对较短较粗，即石墨长宽比较小，石墨比较致密，而3号样和4号样的石墨相对较细长，致密性较差。在基体和蠕化率基本的相同条件下（2号样和3号样），石墨致密度越大，蠕墨铸铁抗拉强度就越高，与文献［9］结论相同。4号样蠕化率比3号样的低，出现了部分球状石墨，仅从蠕化率大小来说，4号样抗拉强度应高于3号样，但4号样基体中珠光体含量只有30％～40％，比3号样少得多。珠光体抗拉强度比铁素体抗拉强度高得多，珠光体体积分数越高，蠕铁抗拉强度越高，故4号样抗拉强度比3号样的低。

2．3铸铁石墨形态对切削加工性能的影响切深2．0mm，测得的5种试样主切削力随时间变化的关系曲线如图2所示。图2中，主切削力取负值表示刀具受力向下。从图2中的切削曲线可以看出：5种试样的切削曲线都很不稳定。文献［10－11］认为：材料组织不均匀性对加工性能的稳定性有明显影响。在铸铁中，相对于基体组织来说，石墨结构比较软，相对于珠光体和铁素体基体来说，可以看作是空隙［12］，且在铸铁的浇铸过程中容易产生偏析或形成硬质颗粒，所以灰口铸铁组织的均匀性较差，造成其主切削力不稳定。表3为不同切深条件下的主切削力（绝对值，下同）。在切深2．0mm情况下，球墨铸铁1号样的主切削力大约是灰铸铁5号样的1．6倍。珠光体体积分数达到80％的2号样和3号样的主切削力，分别大约是灰铸铁5号样的1．3倍和1．2倍。从表1和表3中可以看出：随着试样抗拉强度的递减，其主切削力并非也呈递减的趋势。1～4号样的抗拉强度分别约是5号样的3．3倍、2．4倍、2．0倍和1．5倍，切深为2．0mm条件下的主切削力分别约是5号样的1．6倍、1．3倍、1．2倍和0．7倍。同样，在切深为1．5mm时，1～4号样的主切削力分别是5号样的1．6倍、1．1倍、1．0倍和0．7倍，可见在不同切深条件下，5种试样的主切削力具有一致的趋势。因此，可以看出抗拉强度跟主切削力并没有相对应的关系，而是受基体的影响较大。从石墨形态来分析，蠕虫状石墨尖端比灰铸铁圆钝的多，产生的应力集中效应要小得多，因此，需要更大的外力才能使石墨基体界面处产生裂纹源，这就是蠕墨铸铁4号样比灰铸铁5号样抗拉强度高的主要原因。虽然蠕墨铸铁4号样珠光体体积分数只有30％～40％，而5号样基体组织中珠光体体积分数达到98％，但4号样抗拉强度却比5号样的高，可见在抗拉强度方面，石墨形态的影响要比珠光体体积分数的影响显著。从主切削力来看，5号样珠光体体积分数远比4号样的高，在外力作用时片状石墨与蠕虫状石墨相比，更容易在应力作用下剥落。5号样的切削加工性能却比4号样的差，可见基体中珠光体体积分数的差异是蠕墨铸铁4号样的主切削力小于灰铸铁5号样的主要原因。从1～3号样和5号样可以看出：珠光体体积分数基本相同的条件下，抗拉强度与主切削力呈现出一样的变化趋势。

3结论

（1）铸铁的抗拉强度与石墨形态、紧实度和基体中珠光体体积分数密切相关。石墨不致密倾向越小即石墨的长宽比越小，石墨越紧实，石墨尖端的应力集中和分割基体作用越小，抗拉强度越高。（2）对各种石墨形态的铸铁来说，其抗拉强度与主切削力没有很好的对应关系，5种铸铁试样的抗拉强度之比约为3．3∶2．4∶2．0∶1．5∶1．0，而切深2．0mm时的主切削力之比约为1．6∶1．3∶1．2∶0．7∶1．0，并非抗拉强度越高其主切削力越大。石墨形态对铸铁抗拉强度的影响显著，而基体中的珠光体体积分数对铸铁的主切削力影响显著。

参考文献：

［1］刘金城．关于我国蠕墨铸铁生产的一些思考［C］／／中国机械工程学会，中国铸造学会．2013中国铸造活动周论文集．济南：中国机械工程学会，2013：1－7．

［2］李明，刘庆义，张行河，等．蠕墨铸铁在发动机铸件上的应用［J］．铸造设备研究，2008（5）：28－32．

［3］万仁芳．汽车工业发展与汽车发动机灰铸铁缸体生产技术［J］．铸造，2001，50（12）：746－751．

［4］王宇飞，任凤章，黄胜操．发动机缸体用高强度灰铸铁切削加工性能研究［J］．铸造，2015，64（1）：47－49．

［5］郑冰，任凤章，张旦闻，等．两种蠕墨铸铁显微组织与切削加工性能［J］．河南科技大学学报（自然科学版），2015，36（5）：5－9．

作者：李宗亮 任凤章 王冰洋 熊毅 单位：河南科技大学 材料科学与工程学院 有色金属共性技术河南省协同创新中心