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灰铸铁切削性能


lrons& Graylrons

变质处理对高强度灰铸铁车削加 工性能的影响
王金 国 1,逄 伟 2,李 潭 l,姜启川 l
(1吉 林大学 ,吉林 长 春 1300乃 ;2一 汽铸造有限公司 ,吉林 长 春 130011) 刀具磨损 的影响规律 ,试验表明 :大量 、 细 摘要 :研究了变质处理对高强度灰铸铁车削加 工切削抗力

、 切削表面粗糙度 、 `弯 曲 、 交错分布的珠光体组织有利 丬 分布均匀的石墨有利于提高灰铸铁的强度和改善灰铸铁的车削加工性 能 ;细小 、 于提高灰铸铁的强度 ,但降低灰铸铁的车削加工性能。采用 JF l和 JF9复 合变质处理 ,不仅使灰铸铁的抗拉强度超过 含 M。灰铸铁的抗拉强度 ,同时具有更优 良的车削加I性 能。 关键词 :灰铸铁 ;变质处理 ;切削加I
中 图 分 类 号 : ΓG 5 " 文 ' 21 献 标 识 码 : 文 A 章 编 号 "0珀 03 31(oo∞ zs21) -o20 o4-5

Il.nuence。

F ModlFlcation TreatIllent on Tumng Pr①

perties oF EⅡ

gh stleng山

Gray Cast Iron

WANG Jin-gu°

\PANG Wei2,LI Tan\JIANG Qi-chuanI

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crsity,Changchun

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Ltd,Changchun

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Abstrac‘

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uencing mle of modiⅡ

cati0n trca1ment on the turningˉ

cutting resistancc,roughness d machincd sulfacc and

tuming tool abrasion for the turning machining of thc high s1rength gray cast iron was investigatcd Tlle test sholsed that Iarge

quanti1y of bending and uni,oⅡ 1uming propeny; 1he丘

nly dislributing g⒙

phi1e is beneFlcial to increase strength of gray cas1 iron and improve i1s

nc and s1aggcing pcallitc struCturC is bencfcial 1o incrcase s1rcng1h of gray cas1 irfn but mdkcs i1s

turning property worse As thc result of combined modifIcdtion lvith both thc JF-l modifler and TF-2modiⅡ

cr,thc gray cast

irrlns not only have higher strength comparcd、

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n,and als°

havc more exCellcnt tuming propcnics

ICeywOrds:gray cast il【

ln;modi丘

cation1rea1ment;cutting machlnlng

高强度灰铸铁是一种传统的结构材料 ,由于 价格低廉 、 工艺简单 ,迄今仍被大量采用I、 生产 目前 ,大型载重汽车的发动机缸体选用材料仍然 以灰铸铁为主 ,然而灰铸铁的最大缺点是抗拉强 度较低。为了提高灰铸铁的强度 ,在生产大功率 柴油发动机缸体铸件时 ,通过加人一定量的 M。、 Cl、 cu和 Ni等 合金元素以提高灰铸铁的性能P倒 。 然而随着钼铁合金和镍铁合金价格的上涨 ,使得 高强度灰铸铁铸件的生产成本增加 ,削弱了产品 不含 M。、 的竞争力。因此 ,开发新型高强度 、 低成 本、 工 的高强度灰铸铁具有广泛的应用前景。 易加

炉温度 153o℃

,浇包 内孕 育及 变质处 理 ,采用

酚 醛 树 脂 砂 型 浇 注 圆柱 形 试 样 ,试 样 尺 寸 为 ⒛ 削加 I所 用 试 样 为 ¢∞ φ mm妃 00mm,车 mm妞 20mm,处 理后 的铁液成分经瑞 士产直读 光谱分析仪 ARI/I弱 0测 定如表 1。 车削加 工 性 能试 验采用 CA61妁 YDC_III8902三 利用 车床 、 向压 电车削测力仪测定切 削力 ,

采用英 国泰勒公 司产 “c粗 糙度 轮廓仪测定 车 表 1 试 验用高强度灰铸铁的化学成分
%1Cnps b olo血 cr o hl忒 ll f gl £ n 咎 hgym l灬 m Ml uel sc

1or tes1

试 验 方 法及 过 程 试验采用 bo吒 工频熔炼炉熔炼 ,铁 液出

试样 编号
C ⒌ Mn s P

化学成分 叨 %) “
Cr Cu Mo

变质剂

327 200039 0079 0O13 017 055 020 333 190048 0075 0013 018 058 _ 335 200040 0079 0013 0】 8 063 _

o45%JF l o35%JF— 060%JF-1 035%JF— l+01JF-2 o35%JF-l+015%JF-2 l

收 稿 日 期 :2ooll ll_Ⅱ



定 日 期 :2oo鲜



I4

333 200040 0077 0013 0 18 066 33‘ 200040 0076 0013 018 056 333 1 g1 040 0078 0013 018 056

作 者简 介 :王全 国(l%44),男

,汉 族 ,吉 林 长春 人 ,毕 业 于吉林

工业 大 学 .教授 ,主要 从 事铸 造合全 组 织与性 能方面的研 究.

42 |现

代 铸 铁 20IO/2

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削加I试 样的表面粗糙度 ,采 用 YG8硬 质合金 刀具进行车削加工 ;刀 具磨损试验是在 cQ6136 车床上 ,同样使用 YG8硬 质合金刀具进行 ,切削 参数为 :切 削深度为 o2mm、 进给量为 o∞ 1
md、 ,l 切 削 速 度 为 ω Wi, mn每 走 刀 3o m oo 后 ,

主刀 削力均低于含 M。 灰铸铁 车削加 工 过程 中 的主切 削力 ;试样 B的 进给抗力最大 ,试样 F的 进给抗力最小 ,含 M。 灰铸铁在 车削加工实验过 程中的进 给抗力处于 中间 ,与 试样 c、 E的 接 D、 近 ;试样 B的 切深抗力最大 ,试样 F的 切深抗力 最小 ,而含 M。 灰铸铁车削加工过程中的切深抗 力与试样 D、 E的 切深抗力相当。试样在车削加 工过程 中所受 到的切削抗力在一定程度上能够 反映材料本身是否容易被 车削加I,切 削抗力越 大 ,材料越不容易被切削加工 ,反之 ,则容易被切 削加工 。 根据表 3中 的数据 ,主切削抗力 、 进给抗 力和切深抗力的平均值由小到大的顺序为 :试样 F→C→ D→ E→ A(含 M。灰铸铁 )→B。 试样 F的 切 削抗力最小 ,试样 B的 最大 ,含 M。灰铸铁 的 切削抗力与试样 D、 E的 切削抗力接近。因此 ,试 样 F最 容易被车削加工 ,试样 c次 之 ,试样 B最 不容易被 车削加工 ,含 M°灰铸铁的车削加I性 与试样 D、 E接 近。 试样车 削加工后 的表面粗糙度 (如表 3所 示 )表明 ,试样 F的 表面质量最好 ,其次是含 M。 灰铸铁(试样 A),试 样 E的 最差。 23 车 削加工过程 中刀具的磨损 图 1是 试验铸铁在车削加工过程中 ,车削距 离与车刀磨损面积 的关系。图 l表 明,刀具磨损 过程主要 分为三个 阶段 :初期磨损阶段 、 常磨 正 损阶段和急剧磨损阶段。 试样在车削加工 o~ 6个 I350m范 围内都属于初期磨损阶段 ,在 此磨损 阶段 ,刀具的磨损量增加较快 ,但不同试样 ,刀具 的磨 损量不同 ;在车削距离 为 135o~8684m范 围内,刀具 的磨损 为正常磨损阶段 ,此阶段 的持


利用激光显 微镜观 察刀具 的磨 损形貌 ,并测量刀 具磨损 的面积 。 采用 wDw钅 oO型 电子 万 能试 验机测 定试 布 氏硬 度计测定 样抗拉强 度 ,采 用 HB3ooo型 试样 的硬度 ;采 用 Ⅹ Cl5型 JG

光 学显微镜 、 激光 显 微镜及 M猁 d阝 M与 3I0型 扫描 电镜对石 墨形 态、 基体组 织 、 珠光体 片 间距 以及 共 晶团等进行 显 微组织 分析 。

2 试 验结果及 分析
21 力 学性能 表 2、 表 3为 试样 的力学性 能及切 削抗力 。 JF矽 变质剂处理 的灰 铸铁 的抗 拉 强度均 高于含 M。 灰铸 铁 的抗拉强 度 ;在采用 单 一 JF1变 质剂变质处理 的灰铸铁 中 ,随 着变质 剂 JF1加 人 量 的增加 ,灰铸铁 的抗拉 强度提 高 ; 在采用 JF丬 与 JF乇 复合 变质 剂处 理 的灰 铸 铁 中 ,变 质剂 JF~2的 加人虽对 灰铸铁 的抗拉强 度 有 一 定程 度 的影响 ,但其影 响效果并不 明显 。从 测定结果看 ,试样 的硬度没 有 明显差异 。 22 车 肖力 工 性能 刂口 车削加工 实验过程 中 ,车刀所受 的抗力 如表 3所 示 。结果表 明 :变质处理 灰铸铁 的切 削加 工 表 2 试 验高强度灰铸铁的力学性能
Tab2 Λ Ιcchanical properties of high strength gray cast irt ns used for坨 st

经过 JF1或

试样编 号 抗拉强度舢Pa 刀 硬度(HB) 199 8
305 201 29o 197 323 202 30o 297 197 19o

表 3 试 样的切 削抗力及表 面粗糙度
Tab3 Cuto吧 re⒍ 玫 allc|? alld RLllface rou酗 nc、 of k哎

崧 疟 邺 垫 双 R

I o 8 6 4 2 O

— — — — —

speClmens

'

主切削力 进给抗力 切深抗力 平均抗力 表而粗糙 度 ltn

514 803 1040 786 】4329

5O0 l061 1082 881

405 771 954 71o

466 817 IO58 78o

511 831 I014 7853

412 598 93 1 647 12249
Flg△ 下

o

4ooo

8O00

12ooo

车削距离 ll 图 l 车 削加 ェ 过 程 中车 刀 磨 损 面积
Vear off areas oF cut1ers du订 ng tuming plocess

16967 2j128 17575 25762

现 代 铸 铁 2o1o/2| 43

r △ ■ ■

Nodulaflrons & Gray lrcns

续 时间 比较 长 ,刀具 的磨损 量增加缓慢 ;当车削 距 离超过 8“ 4m后 ,刀具 的磨损 又进 人 了较 快 的阶段 。 但从 图 l可 以看 出 ,试验铸铁不 同 ,进人 较快速磨损 |阶 的表现是不 ol的。 段 试样 B在 车削 加 工 到 8684m以 后不 久 ,出现崩 刀 ,无法进 行 磨损量测量 ,表 明这种铸铁 的加 I性 能相对较 差 ;其它 几种 铸铁 尚可继续 车 削加 工 ,在车削距
离 为 88d88范 6408m 围 内 , 车 削 加 T 试 样 D 、

E时 ,刀具的磨损量增加较快 ,而车削加 I试 样 C、 Λ时 ,刀贝的磨损虽有增加 ,但不是非常明 F、 显 ,当车削距离超过 10888m后 才明显增加。 从车削加工 6个 试样的刀具磨损状况可看 出,刀具的磨损 与 在车削加⊥过程中刀具所受到 的抗力密切相关。 刀具磨损程度由小到大的顺序 :试样 c(F<A<D<E<B,而 是 车 刀所受到的平均 抗力 由小到大的顺序是 :试 样 F<c(D<E(A<B, 虽然两者规律并不完全相同,但车刀所受到的抗 力较小 ,刀具的磨损程度也相对较小。 图 2为 车削加I距 离为 8⒍ 8m时 刀具表 面的磨损情况 ,车削加⊥试样 c的 车 刀磨损最为 轻微 ,磨损面积最小 ;车削加工试样 B时 ,车刀 的磨损最为严重 ,磨损面积最大。 同时发现 ,车刀 磨损表面剥落坑 的数量 、 寸 、 尺 深度与车刀的磨 损面积相对应 ,车刀的磨损面积越大 ,车刀表面 的剥落程度越严重。 刀在车削加工铸铁过程中 车 的磨损属于磨粒磨损 ,磨损失效是由切削和脆性 剥落机制所控制 ,由 于车刀的材料为硬质合金 , 其硬度很高 ,而韧性却很低 ,因此 ,很难产生犁削 和疲劳剥落方式的磨损 ,从车刀表面的磨损状况 也能证实这一点 ,看不到有塑性变形的痕迹。切 削方式的磨损主要 与磨损过程中所受力 的大小 相关 ,在车削加工 条件下为车削抗 力,受力越大 , 磨损越严重 ;另外与被车削材料的硬度和组织也 有关。由 6种 试验铸铁的硬度值表明,铸铁的硬 度低 ,则车削过程中的车削抗力低 ,车 刀 的磨损 也低。 24 分 析讨论 从试验结果可知 ,采用复合变质处理的几种 灰铸铁的抗拉强度均 高于含 M。 灰铸铁 的抗拉 强度 ,随着变质剂加人量的增加 ,灰铸铁的抗拉 强度提高 ;变 质处理对灰铸铁的硬度影 响不明
图2 车
Fig2 Su亻

,刀具的磨损量

削加 工距 离为 8“ 8m时
acc licar morphologics()f〔 dis1a1lcc of8 648 ]η

车 刀表 面磨损 形貌
;uttcrs a1turning

显 ;灰铸铁 的车削加 工 性能 与灰铸铁 的抗拉强度 没有对应关系 。 材料 的力学性能 、 车削加 ⊥ 性能 的高低均决 定于材料本 身 的微观组织特征 。 本试验 中的 6种 试验材料均为 高强度灰铸铁 ,其微观组织为片状 石墨+95%以 上 的珠光体和少量 的铁素体及少量 的 M稿 等夹杂物 。片状石墨 的形 态 、 尺寸 、 光 珠 体体 积分数 的多少 、 片 间距 的大小 、 层 以及 夹 杂 物数量 的多少等是灰 铸铁 的抗拉强度 、硬 度 、 车 削加 ⊥ 性能产生差异 的直接原 因。 由于本试验研究采用 同一 炉铁液 ,并在 同一 浇包 内进行 变质处 理 ,所 得灰铸 铁成分基 本 一 致 ,其 中M谪 等夹 杂物 的数量基本相 近 ,因此关 于夹杂物种类 、 数量对试验灰铸铁强 度及加 T性 能的影 响是基本 一 致 的。

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△ 习

Nodular lrons& Graylrons

灰铸铁中石墨本身的强度和塑性几乎为零 , 石墨就像金属基体中的孔洞和裂缝 ,在外力作用 下石墨尖端将导致应力集中,形成断裂源。 其次 , 石墨割断了金属基体的连续性 ,使裂纹更容易扩 展 ,最终断裂。长而直并且端部尖锐的石墨使灰 铸铁的抗拉强度 降低 ,而短小弯曲、 端部圆钝 且 的石墨能够使灰铸铁的抗拉强度得到提高。 在切削加工方面 ,在高速旋转刀具作用下灰 铸铁被切削 ,材 料的变形能力强,则 作用在刀具 刀尖、 前刀面、 后刀面的摩擦作用力小,刀 具的磨 损面积小,刀 具寿命长 ,铸 件的加工性好 。细小 均匀的石墨组 织能提高切屑的变形 ,而且 ,对刀 “ ” 具来说石墨是一种 润滑剂 ,也可以降低对刀具 的摩擦力,从 而提高刀具的切削加工寿命。 作为灰铸铁的基体组织 ,珠光体的体积分数 越高 ,抗拉强度越高 ,珠光体片间距越小 ,贝抗拉 刂 强度也越高 ,同时 ,灰铸铁的硬度也越高。 在切削 加工性方面 ,则是正好相反 ,珠光体含量高 ,切削 加工性差 ;珠光体片间距小 ,切削加工性差。 图 3为 试验中 6种 灰铸铁石墨形态照片 ,可 以看出经过变质处理后 ,灰铸铁中的石墨形态与 含 M。 高强度灰铸铁的石墨组 织形态有 明显 的 差异 :含 M。 高强度灰铸铁中的石墨比较平直 , 长度和宽度尺寸都相对较大 ,而经过变质处理的 高强度灰铸铁 中石墨变得细小弯曲 ,但随着变质 剂加人量的增多 ,石 墨的形态发生 了一定的变 化 ,出现了相对厚 大 ,但较短 ,类似于块状 的石 墨。 图 4是 6种 高强度灰铸铁的珠光体形态。 可 一定的差异 :当 变质剂 见 ,珠 光体的片间距有 JF1的 加人量超过 o绣 %时 ,变质处理灰铸铁组 织 中珠光体的片间距 小于含 M。 灰铸铁 的珠光 ,即使添 加 JF⒓ ,但珠光体的片间距也大于含 M。 高强度 灰铸铁组织中的珠光体片间距。 分析本试验结果 ,石墨形态的改变是灰铸铁 强度提高的主要原因 ,珠光体片间距减小 ,同样 便灰铸铁的强度提高。 变质处理的灰铸铁石墨形 态都变得细小弯曲 ,即使变质剂量增加后出现了 块状石墨 ,但 因其对基体的割裂作用相对较弱 , 对强度的影 响不大。在组织接近的条件下 ,珠光 体片间距小 ,贝材料的硬度高 ,因此得到的试验 刂 体片间距 ;而变质剂加人量为 o35%时
(e) 图3灰
Glaphi1e molPhol。

(f) 铸 铁 的石 墨 形 态
昏 es of hi吵 哎 ren签 h gray cas1

结果是 :试 样 B`D的 硬度高于 A试 样 ,而 试样 C、 F的 硬度低于 A试 样。 E、 ˉ 从车削加工性方面分析,试样 F由 于珠光体 片间距最大 ,试样硬度最低 ,同时 ,石墨细小 、 弯 曲、 均匀 ,而彐 ,块状石墨的数量较多 ,因此 ,其切 削加I过 程中的切削抗力最低 ,试样 B中 石墨虽 然细小弯曲,但块状石墨数量少 ,珠光体片间距 细小 ,试样的硬度高 ,因此 ,车削加工过程中车削 抗力最大 ,刀具磨损最为严重。试样 c中 石墨细 小、 弯曲、 分布均匀 ,珠光体片间距较大 ,车削过

现 代 铸 铁 201o/2| 45

(d)

(e)

(F) 图 4 珠 光体 形 态照 片

Fig4

Ped△

Iite morphologies of high strength gray cast irons

程中对刀具的磨损最为轻微 ,但加工表面相对粗糙 。 试样 D、 E中 石 墨同样细小 、 弯曲、 均匀 ,而且含有数量较多的块状石墨 ,但因珠光 体片间距较小 ,硬度较高 ,车削过程中的车削抗力较 大 ,刀具的磨 损较为严重 。 3结 论 (1)细 小 、 弯曲、 分布均匀的石墨有利于提高灰铸铁的强度 ,同 时有利于改善灰铸铁的车削加工性能。 (2)细 小 、 均匀的珠光 体基体有利于提高灰铸铁的强度 ,但使 灰铸铁的车削加工性能变差。 JF2复 合变质处理 ,不仅使灰铸铁的抗拉强 度超过含 M。 灰铸铁的抗拉强度 ,同时具有优 良的车削加工性能。 参考
[勾 s Hua-,n Lasted Development in Produc“ chinaAFS Trans,1991,(99》 363-367 dern Appr°

(3)采 用 JF1和

文 献
on and Res铙 rh wolks订 C.lal irlln in

l]曾大本 ,唐 靖林 灰铸铁研究和生产的新进展与展望lJl现 代铸铁 丨 ,⒛ Os,灬 u》 “_⑽

[3]J F Janwak,R B Gundlath A m。
18,9》 92(0 8783溺 4-6

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( 编



: 杨



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