两种蠕墨铸铁显微组织与切削加工性能

郑 冰，任凤章，1b，张旦闻，熊 毅

（1.河南科技大学a.材料科学与工程学院；b.有色金属共性技术河南省协同创新中心，河南洛阳 471023；2.洛阳理工学院机电工程系，河南洛阳 471023）

两种蠕墨铸铁显微组织与切削加工性能

郑 冰1a，任凤章1a，1b，张旦闻2，熊 毅1a

（1.河南科技大学a.材料科学与工程学院；b.有色金属共性技术河南省协同创新中心，河南洛阳 471023；2.洛阳理工学院机电工程系，河南洛阳 471023）

采用金相显微镜、力学性能测试、加工性能测试等手段，观测和测试了不同合金化处理与不同蠕化效果的两种蠕墨铸铁的显微组织、拉伸强度、布氏硬度、基体显微硬度以及切削抗力。分析了两种蠕墨铸铁的切削加工性能和力学性能与显微组织之间的关系。研究结果发现：在蠕墨铸铁的石墨含量相同的条件下，蠕化率低的蠕墨铸铁中珠光体组织多，抗拉强度和硬度较高；蠕化率高的蠕墨铸铁显微组织更趋于均匀，切削抗力小，切削加工性能好。

蠕墨铸铁；切削加工性能；显微组织；拉伸强度；硬度

0 引言

蠕墨铸铁是一种综合性能十分优良的铸铁材料，它兼顾了灰铸铁和球墨铸铁的优良性能，填补了两者性能之间的空白，可用于高功率柴油发动机缸体缸盖等重要铸铁件的生产，在美国铸造业界被认为是唯一能同时满足技术、环保和性能要求的重载汽车发动机材料［1］。

人们对蠕墨铸铁合金化处理以及蠕化处理进行了较多研究，主要研究了不同合金化处理及蠕化处理对组织和力学性能之间的影响。文献［2］研究发现：蠕墨铸铁经过适当的合金化处理，能够显著提高用于铁路刹车制动盘的蠕墨铸铁的热疲劳性能。文献［3］在蠕墨铸铁中加入适量的合金元素Ba，改变了蠕化率，从而提高力学性能。文献［4－5］通过炉前检验的方法控制蠕化率来提高蠕墨铸铁的表面张力。文献［6］研究发现蠕墨铸铁的切削力随等温淬火温度和保温时间的不同而不同。其研究只是对比了在不同淬火温度和时间下，相同切削速度和进给量下，切削力的大小。但是，对于蠕墨铸铁切削加工性能与组织及力学性能，尤其是切削加工性能与蠕化率、珠光体含量、石墨含量、抗拉强度和硬度之间关系的研究未见报道。

蠕墨铸铁被用于制备发动机缸体，发动机缸体的加工采用专用加工线或数控机床，因此，其加工性能就显得非常重要，需要对用于发动机缸体的蠕墨铸铁的加工性能进行研究。本文针对中国一拖集团有限公司蠕墨铸铁发动机缸体试生产中的两种不同蠕化率和合金化的蠕墨铸铁进行了研究，主要分析其加工性能、微观组织与力学性能之间的关系。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

蠕墨铸铁的熔炼在3 000 kg中频电炉中进行，炉内原料为：Q10生铁、废钢、锰铁、紫铜。蠕化剂为稀土镁硅铁合金（即FeSiMg8Re7），其成分如表1所示，孕育剂为FeSi75。孕育和蠕化处理分为包内冲入孕育蠕化预处理和喂丝孕育蠕化。包内冲入孕育蠕化预处理是蠕化剂FeSiMg8Re7和孕育剂FeSi75一起放在包底，然后铁水冲入进行孕育蠕化。喂丝孕育蠕化是冲入孕育蠕化后的铁水经Sintercast系统（瑞典Sintercast公司生产）分析计算后，采用同时喂入直径为4 mm Mg线（线密度为10.5 g／m）和直径为9 mm的FeSi75孕育线（线密度为110.0 g／m）进行校正，其目的是保证蠕化率。

表1 FeSiMg8Re7的化学成分（质量分数）%

中频电炉熔炼2 000 kg铁水，采用碳硫仪分析原铁水C和S，其他成分使用直读光谱仪分析，铁水成分如表2所示。第1种蠕墨铸铁（第1包，熔炼炉倒入中间包铁水780 kg）（在后面的图表中称为：试样A）：包内冲入孕育蠕化预处理，RE7Mg8加入量为4.5 kg（质量分数为0.58%），FeSi75加入量为3 kg（质量分数为0.38%）。取样经Sintercast系统分析后，喂丝加入校正的Mg线为2 m，孕育线为2 m。蠕化处理后合金中的Si含量预计增加到2.70%（质量分数），Mg和Re含量预计在0.015%～0.020%（质量分数）。然后，浇铸发动机缸体和φ95 mm×370 mm试棒一件（切削力测量以及力学性能测试试样均取自此试棒）。

表2 炉内铁水成分（质量分数）%

炉内剩余铁水中加入了一定量的钼铁和钛铁合金，加入后的铁水成分如表3所示。第2种蠕墨铸铁（第2包，熔炼炉倒入中间包铁水725 kg）（在后面的图表中称为：试样B）：包内冲入孕育蠕化预处理，Re7Mg8加入量为4.1 kg（质量分数为0.57%），FeSi75加入量为1 kg（质量分数为0.14%）。取样经Sintercast系统分析后，喂丝加入校正的Mg线为1.0 m，孕育线为1.5 m。蠕化处理后Si含量预计增加到2.70%（质量分数），Mg和Re含量预计在0.015%～0.020%（质量分数）。然后，浇铸发动机缸体和φ95 mm×370 mm试棒一件（同样，切削力测量以及力学性能测试试样均取自此试棒）。

表3 添加钼铁、钛铁后铁水成分（质量分数）%

将φ95 mm×370 mm试棒去皮，两端打中心孔加工成切削力测量试样φ89 mm×350 mm。在切削力测量后，剩余试样一端按GB／T 228—2002加工4根标准拉伸试样（测量部分直径d0＝14 mm，标距L0＝5d0），在拉断的拉伸试样上切取金相试样和硬度测试试样。

1.2 试验方法

铸件加工性能可以从切削力、刀具磨损、表面光洁度等方面进行评价［7－8］。本试验是从切削力方面来评价的。机加工过程中，切削刀具所受到的切削力来自两个方面：一是被加工材料弹性、塑性变形对切削刀具的压力；二是切削刀具与加工材料以及切屑所产生的摩擦力［9］。切削力可分解为3个方向的力，即：主切削力Fz、背向力Fy、进给力Fx。本试验主要采用主切削力Fz来评价蠕墨铸铁的加工性能（数值较大易于测量）。在CA6140卧式车床上测定加工性能，用QB-07型双平行八角环测力仪配合DH5923动态信号测试分析仪，测量蠕墨铸铁进行切削时的主切削力，用于评价切削性能的好坏。车刀选用机加车刀，刀片为同一厂家生产的同一批次产品的YG8硬质合金刀片。机床主轴转速160 r／min，进给率0.294 mm／r，切削深度分别为4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm和2.0 mm，比较两种蠕墨铸铁在相同切削条件下的主切削力的大小。

用MH-3型显微硬度计（载荷1.96 N，保载5 s）测定试样基体的显微硬度，用HB-3000型布氏硬度计（压头为φ5 mm钢球，载荷为7 350 N，加载时间30 s）测定试样的布氏硬度；在SHIMADZU（岛津）AG-I250KN精密万能试验机上进行拉伸试验。

从拉伸试样中选取其抗拉强度与平均抗拉强度最接近的那个试样，在断口处横向切取一部分制备金相试样，用OLYMPUSPMG3光学金相显微镜进行金相组织观察。金相试样仅经过抛光不腐蚀，用于进行石墨形态和含量分析，然后再将试样抛光进行腐蚀，对基体组织中的珠光体含量进行分析。蠕铁的石墨形态主要是评定其蠕化率［10］。蠕化率的评定是采用与GB／T 26656—2011中不同蠕化率的照片对比，从而得出试样的蠕化率；基体中珠光体的含量是用珠光体的面积占基体总面积的百分比来定义的，石墨含量是以单位面积蠕铁中石墨所占面积的比例进行定义的。

2 结果与讨论

2.1 蠕墨铸铁的切削加工性能

为完成应变与切削力的转换，切削试样前要先对3个方向切削力进行标定。具体的标定过程参考文献［11］，信号采样频率为100 Hz，最终分别得出3个方向切削力Fx、Fy、Fz与八角环上对应的应变εx、εy、εz之间的对应关系，即Fx＝125．3εx＋55．9，Fy＝98．97εy＋122．9，Fz＝7．3εz－50．2，如图1所示。试验测得的不同切深下的切削力平均值如图2所示。两种蠕墨铸铁在切深3.0 mm和3.5 mm下应变εz随时间的变化曲线如图3所示。

图1 加载试验测得的切削力与应变的标定曲线

图2 两种试棒不同切深下的切削力大小曲线

图3 两种蠕墨铸铁应变εz随时间的变化曲线

由图2可以看出：在切削深度为4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm时，试样A的切削力比试样B的切削力分别高12.1%、10.8%、13.2%、13.7%、12.2%。由图3a和图3b可知：在切削深度为3.0 mm时，两种试样应变曲线的标准差分别为1.4×10－6和1.1×10－6。由图3c和图3d可知：在切削深度为3.5 mm时，两种试样应变曲线的标准差分别为1.6×10－6和1.3×10－6。标准差反映了各个试样的应变偏离平均值的程度，试样A的应变偏离平均值的程度比试样B的程度大。

2.2 蠕墨铸铁的力学性能

表4 试样的抗拉强度及硬度数据

蠕墨铸铁的抗拉强度值和布氏硬度值见表4。每个试样测试4次，取平均值。由表4可以看出：试样A的抗拉强度和布氏硬度分别比试样B高31.2%和15.0%。

蠕墨铸铁的硬度值与基体的组织有关。基体组织的均匀性是用测试拉断试样的断口处显微硬度的差值来衡量的。在共析转变期间，由于试样中合金元素的不同，导致奥氏体分解为珠光体的过程可在不同温度下进行，形成了分散度不同的珠光体组织，使得珠光体硬度产生较大波动，所以有些地方显微硬度较高，有些地方显微硬度较低，高的是珠光体组织，较低的是铁素体，处在中间的是铁素体和珠光体的混合组织［12］。因此，可用显微维氏硬度的变化来反映基体组织的均匀性。

试验过程中避开石墨组织，使压痕打在基体组织上，每个试样测量10次，取平均值和标准差（标准差是离均差平方和平均后的方根）。试验测得试样A、B的显微硬度平均值分别为324HV、292HV，标准差分别为21HV、32HV。试样A的显微硬度比试样B高11.0%。试样A的显微硬度标准差比试样B小34.4%，这说明了试样A蠕墨铸铁的基体组织均匀性好。

2.3 蠕墨铸铁的显微组织与性能之间关系

两种蠕墨铸铁试样的石墨形态以及基体组织如图4和图5所示。

图4 试样中的石墨形态

图5 珠光体基体组织

从图4a中可以看出：第1种蠕墨铸铁的蠕化率为80%，石墨含量为12%，第1种蠕墨铸铁的石墨形状含有较多的蠕虫状石墨加少量球状石墨。从图4b中可以看出：第2种蠕墨铸铁的蠕化率为95%，石墨含量为12%，第2种蠕墨铸铁几乎全部是蠕虫状石墨，只有极少量的球状石墨。由于球状石墨对基体的切割作用小于蠕虫状石墨，这是第1种蠕墨铸铁的强度比第2种高的原因之一。同时，蠕虫状石墨比球状石墨对基体的切割作用大，使切削过程中易于断屑以及使加工硬化现象不能充分展现，使切削力较低，这也是第2种蠕墨铸铁的切削力比第1种低的原因之一。

蠕墨铸铁的基体主要为不同比例的珠光体和铁素体。从图5a可以看出：第1种蠕墨铸铁珠光体含量较多，为95%，只是在球状石墨周围有少量的铁素体。从图5b可以看出：第2种蠕墨铸铁的基体为铁素体和珠光体的混合物，且分布不均匀，其珠光体含量约为55%。第1种蠕墨铸铁的基体组织主要为珠光体，第2种蠕墨铸铁的基体组织为铁素体和珠光体的混合物，这也是第1种蠕墨铸铁的强度、硬度比第2种高的另一方面的原因。通常情况下，硬度越高，其切削抗力也越大，第1种蠕墨铸铁的基体硬度比第2种的高，这也是第1种蠕墨铸铁的切削力比第2种高的另一方面的原因。但从试验结果看出：第1种蠕铁比第2种蠕铁在强度和切削力方面高出的比例并不相同，第1种蠕铁的强度比第2种高31.2%，而不同切深（4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm）下的切削力，第1种比第2种分别高12.1%、10.8%、13.2%、13.7%、12.2%。

在共析转变期间，由于试样中合金元素以及处理条件的不同，导致奥氏体分解为珠光体和铁素体比例不同。珠光体组织显微硬度较高，铁素体显微硬度较低。第1种基体组织主要为珠光体，含量为95%。第2种基体组织为珠光体和铁素体的混合物，珠光体含量为55%，且从图5b可以看出：珠光体与铁素体呈不均匀分布，而这也正是第1种蠕墨铸铁比第2种蠕墨铸铁显微硬度高，硬度均匀性好的原因。

第1种蠕墨铸铁组织均匀性好，而其应变标准差反而较大（两种蠕墨铸铁应变标准差在切深为3.0 mm时分别为1.4×10－6、1.1×10－6，在切深为3.5 mm时分别为1.6×10－6、1.3×10－6）。其应变标准差大，可能是其石墨形态不同以及其切削力较大引起的机床震动较大造成的。

3 结论

（1）第1种蠕墨铸铁含有较多的蠕虫状石墨和少量球状石墨，第2种蠕墨铸铁几乎全部是蠕虫状石墨，只有极少量的球状石墨。第1种蠕墨铸铁珠光体含量为95%，而第2种蠕墨铸铁的基体为铁素体和珠光体的混合物，珠光体含量为55%。

（2）第1种蠕墨铸铁比第2种蠕墨铸铁的抗拉强度、硬度和切削力均高，抗拉强度高31.2%，布氏硬度高15.0%，显微硬度高11.0%，不同切深（4.0 mm、3.5 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm）下的切削力分别高12.1%、10.8%、13.2%、13.7%、12.2%。

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TG50

A

1672－6871（2015）05－0005－05

国家自然科学基金项目（51201061）；河南省科技创新人才计划基金项目（144200510009）；长江学者创新团队发展计划基金项目（IRT1234）；河南基础与前沿技术研究基金项目（11230041002）

郑 冰（1987－），女，河南长葛人，硕士生；任凤章（1964－），男，河南民权人，教授，博士，博士生导师，研究方向为材料性能评估.

2015－01－18