高强灰铸铁切削加工性能的研究现状及进展

范晓明，谭 聪，雷亚会，蔡坤山，王修强，李汉均

（1.武汉理工大学，湖北武汉 430070；2.湖北三环铸造股份有限公司，湖北随州 441300）

灰铸铁铸造成形性优异、减磨减震性好，成本低廉，在汽车、冶金等行业得到广泛应用[1,2]。迄今为止，随着灰铸铁铸件的基体强度的提高，许多汽车的某些工件（如大型载重汽车柴油发动机缸体、制动鼓等）的选用材料仍以高强灰铁为主，其市场前景广阔[3]。但是，灰铸铁力学性能的提高导致其切削加工性能降低，特别是高速切削技术的应用和推广，对灰铸铁的切削性能提出了更高的要求。因此，具有良好切削性能的高强灰铸铁，可以降低刀具成本、提高生产效率。

研究表明[4]，影响灰铸铁件切削性能的因素很多，而材质质量一致，材料的微观组织和性能达到加工参数要求,则是灰铸铁零部件机加工的技术需求[5]。因此，面对国内优质铸件生产条件的不足和企业对改善灰铸铁件加工性的要求，加强相关研究势在必行。本文拟以影响高强灰铸铁加工性能的主要因素为主线，对高强灰铸铁切削性能的国内外研究现状及进展进行综述，并对目前尚存在的问题进行分析，提出相应的解决措施。

1 国内外高强灰铸铁切削加工性能的研究现状

工业发达国家在上世纪四十年代就对灰铸铁材料加工性展开了研究。经过数十年的发展，高强度灰铸铁的加工性能改善显著，总体上已能满足汽车零部件大批量、高效率、自动化加工的要求[6～10]。

近年来，我国许多企业生产的制动鼓、缸体等高强灰铁件的力学性能已达到国外铸件同等水平，金相组织也无明显差异，但是，在同样加工条件下，国产铸件比国外铸件的加工时间长、刀耗大、加工表面粗糙度比较差。特别在高速加工自动线上，刀具寿命更短[11]。

影响灰铸铁加工性的因素主要包括炉料配比、成分、熔炼及孕育处理、石墨形状和大小、基体组织、型砂水分和煤粉含量以及加工余量等方面[11～13]。目前，国内已对合成铸铁的易切削特点有了较充分的认识。由于合成铸铁需要使用大量的废钢，故国内的相关工作主要还在于配料时适当加大碳素废钢的比例，采用高碳当量、合金化和孕育处理等措施来改善高强灰铁的切削性能，确实也取得了一定成效。但是，还难以稳定达到国外同类铸件的质量。

由于灰铸铁性能由其组织决定[14]，而组织由化学成分和冷却条件决定。因此，各种因素对灰铸铁的影响主要体现在对其组织的影响，进而影响其切削性能。下面扼要说明高强灰铁件加工性能的相关研究工作的现状及主要观点。

（1）石墨形态和分布。灰铸铁中的石墨在切削时可起到润滑作用，其形态和分布是决定灰铁材料强度和切削性能的关键[15]。碳当量高和石墨量多是进口铸件比国产件加工性能好的原因之一。在保证力学性能前提下，提高石墨含量是促成灰铁加工性能的最直接有效的方式[16]。当铸铁中游离碳化物达到3%～5%时，尽管硬度增加不明显，但其力学性能却下降明显，并急剧恶化加工性能[10]。研究表明，细小均匀的A型石墨断屑性能好，刀具寿命长。

（2）珠光体片间距。珠光体中的片间距是影响切削性能的重要因素。珠光体片间距越大，越有利于变形[17]。若考虑强度要求，则以中细片状且分布均匀的珠光体为宜。高强灰铁中珠光体含量在95%～98%以上，不均匀的片间距会导致刀片受到断续冲击，可能造成刀具微小崩刃。索氏体是高强度相，将加剧刀具磨损，要尽量避免。因此，为改善高强灰铁的切削性能，可以改善珠光体的形态，优化组织，使其片间距更均匀。

（3）合金化及孕育处理。在灰铸铁中加入不同的合金元素及进行不同的孕育处理将会改变铸铁的组织和性能。如合金灰铸铁中碳、铜、锡、铬含量变化对切削刀具（硬质合金）磨损的影响[18]，多元（含RE、Cr、Mn、Si）合金化和Cu 合金化的相同抗拉强度的灰铸铁的加工性能比较[19]。钛对灰铸铁机械加工性能的影响研究表明[20，21]，提高铸件加工性能的关键是采用合理的加工工艺参数和降低钛含量。微合金化处理亦可改善灰铸铁微观组织，提高铸铁的综合性能[22]。

一般而言，合金元素大多都提高灰铸铁件的硬度，是不利于提高加工性能的，如铬。而合金元素锡可均匀灰铸铁的基体组织，促进石墨的析出和细化，改善灰铸铁的加工性能。反石墨化合金元素则大多使加工性能恶化，如Mn。当Mn 量太低时，则富裕硫量过多，会形成过多三元共晶体硬块，使灰铸铁件加工困难。但是，需要注意的是，Mn 元素可与硫形成高熔点的硫化锰，作为形核剂细化和均匀基体组织，而且在切削加工时，硫化锰会粘附在切削刀具表面，减小磨损，提高刀具寿命。

合适的孕育处理也可改善高强灰铸铁的加工性能。单一或几种复合的孕育剂，都会不同程度地影响缸体用灰铸铁的力学性能、壁厚敏感性和加工性能[23]。传统的孕育剂有硅基和碳基。研究发现，单独使用硅基孕育剂会造成珠光体硬度不均，铸件的加工性能恶化。针对这一问题，研究了以75SiFe 为基础的含钡、锶、锆、稀土的多种复合孕育剂[24]，使铸件的组织均匀性和加工性能得到改善。研究结果表明，灰铸铁中A型石墨含量越多，基体组织越均匀，加工性能就越好。复合孕育处理的灰铸铁较单一孕育处理的石墨细小弯曲，基体组织均匀性好，因而加工性能更好。

（4）微量元素含量。炉料中含有很多影响其切削性能的有害元素，如生铁中含有一定量的钒、钛等。在微量元素中Ti 被认为是对灰铁件加工性能影响最大的有害元素。因此，想要优化灰铸铁的切削性能，必须改善微量元素的含量，严格控制炉料。

（5）硬质点颗粒。灰铸铁晶界间分布的微小硬质点(碳化物、硫化物颗粒等)适当降低了的韧性，在一定程度上增加了灰铸铁的断屑性，但如果碳化物颗粒过多则又不利石墨析出，影响切削性能。研究发现灰铸铁“料硬”发生的部位，大都在毛坯的槽、棱角、凸面、表面等局部位置[25]。

（6）铸造内应力。时效退火可消除90%左右的内应力，还有部分应力需要长期自然时效才能消除。时效处理的铸件晶界的断屑效果明显改善，切削性能明显提高。特别对于高速切削而言，晶界处的应力的任何微小变化都会影响到刀具的使用寿命。进口铸件的切削性能比国产铸件好很多，就充分说明了长期的运输和储存会改善铸件的切削性能。

（7）铸造工艺。铸造工艺对灰铸铁的加工性能也有影响。主要体现在以下方面：①碳的获取方式。碳是通过加生铁和在铁液中加增碳剂获得的。通过增碳剂所获碳的形态比较好，且加工性能优良。国内工厂为简化生产工序，一般通过提高生铁的配比来达到增碳目的。②熔炼方法和浇注温度。冲天炉熔炼和感应炉熔炼所获得的铁液中的夹杂物、氧化物及微量元素的含量会有所不同。浇注温度不同，铁液中形成的自发核心数量可能会不同，将会影响最终获取的石墨形态、数量及分布，同样会对加工性能产生一定影响[13]。③冷却速度。据研究发现，石墨形态、数量和基体组织会受到工艺因素如铁液的冷却速度快慢的影响。高的冷却速度可细化晶粒，但铸件强度、硬度较高，加工性能通常较差。④开箱温度。Burke 等[26]研究发现，开箱温度越高，灰铁件的加工性能越差。⑤出铁温度。出铁温度越高，材料的强度越高，材质的均匀性越好，但硬度增加不明显。

综上所述，相关研究分别涉及高强灰铸铁成分、熔炼工艺及孕育处理、石墨和基体组织以及组织中的硬质点等多种因素对切削加工性能的影响等内容。但研究分析灰铸铁的组织参数与性能之间的关系，通过铸造工艺参数、成分和工艺的优化、控制铸件组织，获得综合性能良好的高强灰铁件等集合多个层面的内容报道较少。

2 存在的主要问题及发展趋势

（1）存在的主要问题

应该说，在广大铸造工作者的努力下，目前我国生产的高强度灰铸铁件的加工性能已有了明显的改善[27]，但与国外还存在较大的差距。存在的主要问题是：①原材料质量不够稳定；②熔炼和孕育变质技术的相对落后；③针对不同的高强度灰铁件的成分选择、工艺控制不到位。表现为在相同化学成分下，灰铁件强度往往比国外铸件低。即使达到强度要求，其稳定性也很差，废品率高，组织均匀性较差导致加工性能差，使得生产成本居高不下。

（2）发展趋势及解决措施

目前，国内外铸造工作者对高强度灰铸铁发展的趋势已有共识，即“三高一低”。在较高碳当量的条件下，获得高强度、高刚度、低应力的灰铸铁，将强度、硬度、石墨化联系起来，以达到铸造性能、力学性能、加工性能的统一。经过大量研究工作，总结出提高灰铁强度和加工性能的主要措施如下：①调控铁液化学成分。采用高碳当量灰铸铁，调整Si/C 和Si-Mn 值，提高铁液的冶金质量；②加入合金元素，低合金化铸铁；③提高铁液熔炼温度，强化孕育，采用长效高效孕育剂；④采用合成铸铁；⑤加强工艺控制。

3 结论

通过采取加大废钢比例，适当的合金化处理和强化孕育工艺，控制原材料的品质和生产工艺等措施，已使得高强度灰铸铁的切削性能有所改善，但是，由于我国原材料质量的不稳定及生产控制的不到位仍使得灰铸铁的切削问题没有很好解决。今后，要借鉴国内外先进的理论和实践经验，根据实际生产情况，改进材质，优化成分和工艺，才能以较低的成本，稳定生产出强度高、切削性能好的灰铸铁件。

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