浅谈铸铁缸套的加工切削性能

徐小林 鲍永贵

（安庆帝伯格茨缸套有限公司）

ATGL公司作为汽车发动机缸套供应商之一，既要满足产品设计者对材料使用性能的要求，又需面对交付后，客户对缸套切削加工性能的挑剔，有时切削加工性能会成为机加工与铸造之间争议的焦点。然而，改善切削加工性的呼声已经喊了很多年，由于研究难度大、跟踪周期长、投入经费大等问题，致使材料的切削加工性问题一直未有中肯的解决方案。如今各公司都追求利益最大化，“短平快”的风气盛行，加工切削性能研究被认为是 “为他人作嫁衣”，涉足者少之又少。作为一个铸造从业者，铸造的材质多以灰铸铁为主，想和那些对灰铸铁切削加工性能有兴趣的朋友们交流一下，如何改善其切削加工性能。

1 正确认识和对待切削加工性能

材料切削加工性能的优劣应包含以下三个方面：

①机加工效率；

② 具的磨耗与损伤 （如崩刀、断刀、烧刀、粘刀等）程度；

③工件的加工粗糙度和表面状况 （如崩缺、波纹、棱刺、亮带、黑点等）。

因此，切削加工性能是工件材料、刀具、切削参数的综合反映，它以切削综合成本考核为终极目标。

2 切削加工性能与材料铸造、加工条件和要求的关系

① 材料的加工切削性能需视具体加工要求和切削条件而定。因此，它有一定的相对性；

② 改善切削加工性能不仅仅是机加工单方面的问题，同时也是材料制作过程控制的体现；

③加工切削性能的评判很复杂，其中既有可量化的内容，又有不可量化或难以量化的内容。

3 灰铸铁材料对切削加工性能的影响

①石墨对切削加工性能的影响

石墨的硬度很低 （3HBS），但不影响铸铁的布氏硬度。石墨的自润滑性可提高切削工效和减少刀具磨损，但是片状石墨粗大时会显著影响加工表面的粗糙度。球铁中球状石墨数量多、细小又分散，因而与相同基体的灰铁相比，其切削加工性能的三项指标均较优秀。

④基体组织对切削性能的影响

基体对材料的物理和力学性能起主要的决定作用，因而对材料的切削加工性能也从宏观上起到主要的决定作用。基体组织的硬度随合金化程度的增加而提高。珠光体除了分散度影响硬度外，它的结构形态亦有影响：粒状珠光体比片状珠光体硬度稍低。同时其片间距的大小也间接影响切削加工性能。一般而言，基体组织硬度增加时，切削加工的难度增加。至于加工表面的粗糙度，可以认为在铁素体和珠光体基体的围内，随硬度的提高而变好。切削过程中材料的加工硬化倾向对切削加工性影响很大。如果基体的抗滑移能力强，切削力又大，则材料在加工过程中将变得越发难以切削。

⑤晶间偏析相对切削性能的影响

由于选择结晶的结果，正偏析元素富集于晶界。常见的正偏析元素有O、S、P、M n和Cr等。S溶于铁液，但在Fe－C－S系中，S几乎不溶于奥氏体、铁素体和渗碳体。在凝固时S的正偏析倾向很大，在晶界形成Fe－FeS－Fe3C的三元硫共晶，其中w（S）为31．7% ，w （C）只有0．17%。当同时有O富集时，晶界铁液将按介稳定系转变，成为白口。P在晶界形成二元磷共晶Fe＋Fe3P或三元磷共晶Fe＋Fe3P＋Fe3C，它们的硬度分别为750～800HV和900～950HV，超过了淬火马氏体的硬度。当有M n、Cr存在时，磷共晶内常常有 M n、Cr富集。硫共晶和磷共晶妨碍切削加工，磷共晶造成的晶间缩松，在一定程度上降低了铸件的加工质量。M n、Cr均为反石墨化元素，容易在晶界产生碳化物，近晶界奥氏体较为稳定，易转变为珠光体。当铸铁中M n、Cr较多时，在加工过程中可能造成刀具的不均衡跳动，有损加工面的质量。弱正偏析元素M o、W、V在晶界的偏析对石墨铸铁的加工性能影响不大。

⑥晶内硬相对切削性能的影响

晶内硬相主要是一些高熔点的碳化物、氧化物和氮化物。这些存在于晶内的类圆形或角形的化合物，硬度明显高于石墨铸铁本身。显然晶内硬相对切削加工性能是无益的。Ti C的硬度很高，当有N存在时，铸铁中会同时生成Ti C、Ti N或Ti（N、C）。Ti C和Ti N是硬质合金刀具的刀头材料和表面喷涂材料，铸铁中的Ti化合物无疑会伤害刀具。因此，在高级灰铁和球铁生产中，Ti被认为是影响切削加工性的不利元素而加以限制。切削实践表明，用含Ti量过高的原材料切削性能比含量低Ti的原材料差。

⑦局部的白口和反白口对切削性能的影响

铸件边角或薄壁处由于冷却速度过快，铁液按介稳定系结晶而析出自由渗碳体。当铁液含硫量高、氧化较严重、碳当量低和孕育不良时，白口比较容易发生。感应炉铁液，高温过热、孕育不良也容易产生白口。与表层白口相反，白口产生于铸件内部，称作反白口。

⑧时效对加工切削性能的影响

在客户的加工过程中，许多奇怪的现象被发现。其中，铸件存放数月后，在没有任何基体变化的情况下，高速切削时的刀具寿命就会比原来得到大幅度的提高，这个现象已经是被越来越多的人认识和公认的事实了。这就是铸造应力消除的结果：铸件在凝固的过程中，应力产生在晶界处，会造成晶界处晶格的变形，产生很大的拉应力或压应力，这个力会增加断屑的难度，增大切削的阻力。当时效处理数月后，随着应力的消失，晶界的断屑效果改善，切削性能就会明显提高。高速切削对断屑的变化非常的敏感，这一变化应付反应在刀具的寿命大幅度提高。这再次说明晶界处的物理状态对高速切削过程来说是非常重要和敏感的，也可以反过来说明晶界处的微小碳化物颗粒的变化会影响到刀具的使用寿命。

⑨其它原因对切削性能的影响

未熔尽残留物铁合金 （如 FeM o、FeW 、FeCr）加入不合理或孕育剂粒度过大，未熔物残留于铸件内部，造成局部过硬。

其它低熔点元素偏析至枝晶间或共晶团间，凝固时易促成特殊组织。如微量Pb（质量分数超过0．005%）可使枝晶四周生成网状石墨。缓冷时，在更低的Pb量时会生成魏氏石墨。Sn会在共晶团边界形成FeSn2，等等。球铁中单独存在的Sb、Bi、Pb等，既干扰球化也会影响切削加工性能。

4 如何更好的改善加工切削性能

通过以上几点的交流，基体和石墨是铸铁牌号的保证因素。熔炼的任务首先是要确保基体组织和石墨形态的稳定性和均一性，其次是要限制恶化切削加工性能的因素，以下措施可供改善切削加工性能参考：

①改善石墨形态是提高切削性能的重要措施。

石墨是灰铸铁切削过程中裂纹扩展及断屑的重要因素，因此改善石墨形态是提高切削能最重要的措施。冲天炉熔炼要做到高温熔炼，因为高温熔炼促进增碳的最好措施也能减少铁液氧化倾向。因此热风冲天炉是必要的硬件条件；对于电炉熔炼，增碳工艺是最好的工艺，也是改善切削性能的最重要的措施。

②随流孕育很重要，但要适量，不能过量。

随流孕育也改善石墨形态的重要手段，而且建议使用进口的随流孕育剂，但是随流孕育不能过量。我们很多人只看到随流孕育的好处，但是加入量太大，会增加铁素体的数量，提高材料的韧性，这对高速切削的断屑性能是不利的。

③合金化不能以加铜为主，要适当增加微小硬质点的数量。

这也是我们以前走过了弯路后得到的经验，对硬质点的过分担心缘于我们推理的错误，认为刀具一定要切过硬质点，而硬质点又是那么硬，所以要打刀。实际上分布在晶间的微小硬质点增加了材料的断屑性能，适当提高了材料的脆性，这一点也是使高速切削性能提高的重大突破。多加铜会提高材料的韧性，并不能改善断屑性能。

④选用优质的或高纯的生铁，慎用合金废钢，以严控有害元素含量，要严格控制有害元素的含量。从我们的经验来看，主要是控制生铁中钛、钒的含量，钛、钒使高速切削性能严重恶化。

⑤减少铁水浇注、凝固过程的过冷因素，使铁液趋向于稳定系凝固。浇包应有良好保温性能，适当提高浇注温度和浇注速度；涂料应具有良好的保温性能和高温抗冲刷强度；适当提高模具温度：400～500℃。

⑥时效处理可以大幅提高加工切削性能。

《铸造手册》、《现代铸铁》等