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《河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第二期

摘要：

澆鑄了1種球墨鑄鐵、3種蠕墨鑄鐵和1種灰鑄鐵，測(cè)試了這5種具有不同抗拉強(qiáng)度試樣的主切削力，并分析了抗拉強(qiáng)度與主切削力之間的關(guān)系，以及抗拉強(qiáng)度、主切削力與組織的關(guān)系。研究結(jié)果表明：3種石墨形態(tài)的鑄鐵，其抗拉強(qiáng)度和主切削力均受石墨形態(tài)和基體組織的影響，但石墨形態(tài)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響更為顯著，而基體中的珠光體含量對(duì)主切削力影響更為顯著。不同種類的鑄鐵，抗拉強(qiáng)度與主切削力之間沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：

抗拉強(qiáng)度；鑄鐵；石墨形態(tài)；切削性能

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體比強(qiáng)度（斷開時(shí)單位面積所受的力）的要求越來(lái)越高。一般來(lái)說(shuō)，提高缸體的比強(qiáng)度，能使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體所允許的最大燃燒壓力提高，從而使燃油能夠充分燃燒，提高燃油利用率。同時(shí)，比強(qiáng)度的提高，可以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，從而進(jìn)一步降低油耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的［1］。對(duì)鑄鐵材質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，若提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的比強(qiáng)度，則其他性能如導(dǎo)熱性和消震性就會(huì)相應(yīng)下降［2］，尤其是機(jī)加工性能會(huì)大大降低，從而不利于進(jìn)行機(jī)加工，也影響批量化的流水線作業(yè)生產(chǎn)。因此，抗拉強(qiáng)度與加工性能一直是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體用鑄鐵件性能方面的重要指標(biāo)。對(duì)于鑄鐵來(lái)說(shuō)，一般抗拉強(qiáng)度越高，切削加工時(shí)刀具所受作用力及磨損越大，壽命越短［3］。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)鑄鐵加工性能已有許多研究。文獻(xiàn)［4］從切削合力和刀具磨損方面描述了兩種孕育劑對(duì)灰鑄鐵加工性能的影響。文獻(xiàn)［5］研究了蠕墨鑄鐵中添加合金元素Mo、Ti，對(duì)蠕墨鑄鐵顯微組織、力學(xué)性能以及加工性能的影響。文獻(xiàn)［6］對(duì)比研究了一種蠕墨鑄鐵在不同等溫淬火溫度和時(shí)間下的切削力大小。文獻(xiàn)［7］研究了蠕墨鑄鐵合金元素Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)刀具磨損、切削力和表面粗糙度的影響。但目前對(duì)不同抗拉強(qiáng)度且有不同石墨形態(tài)鑄鐵（不同鑄鐵種類）的加工性能對(duì)比研究卻未見報(bào)道。本試驗(yàn)澆鑄了5種不同抗拉強(qiáng)度的鑄鐵（1種球墨鑄鐵、3種蠕墨鑄鐵和1種灰鑄鐵），對(duì)比研究了它們的主切削力大小，并分析了主切削力與組織形態(tài)的關(guān)系。

1試驗(yàn)材料及方法

抗拉強(qiáng)度／MPa707541417317214試驗(yàn)所澆鑄的5種試樣編號(hào)及抗拉強(qiáng)度如表1所示。表1中，1號(hào)樣為球墨鑄鐵（QT），2～4號(hào)樣為蠕墨鑄鐵（RuT），5號(hào)樣為灰鑄鐵（HT）。將不同抗拉強(qiáng)度的5根切削力測(cè)試試棒加工至同一直徑（Ф72mm）。在CA6140A機(jī)床上對(duì)5根試棒進(jìn)行切削試驗(yàn)，機(jī)床轉(zhuǎn)速為180r／min，軸向進(jìn)給量為0．30mm／r。切削過(guò)程中通過(guò)測(cè)量裝夾車刀的八角環(huán)應(yīng)變?chǔ)虂?lái)實(shí)現(xiàn)主切削力Fz的測(cè)量。本次試驗(yàn)標(biāo)定的μ與Fz的關(guān)系為Fz＝36．41×106μ＋9．976。石墨形態(tài)及基體組織用OLYMPUSPMG3金相顯微鏡，配合SISCAS．V8．0金相圖像分析軟件進(jìn)行測(cè)定和分析。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1鑄鐵試樣的微觀組織5種試樣的石墨形態(tài)如圖1所示。從圖1中可以看出：1號(hào)樣石墨形態(tài)呈不規(guī)則球狀，為球墨鑄鐵，對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T9441—2009可知，球化級(jí)別為3級(jí)；2～4號(hào)樣石墨呈蠕蟲狀，為蠕墨鑄鐵，對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T26656—2011可知，其蠕化率分別為95％、95％和85％；5號(hào)樣石墨形態(tài)呈片狀，為灰鑄鐵，對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T7216—2009可知，石墨片為A型分布，級(jí)別為片狀4級(jí)。5種試樣的球化級(jí)別、蠕化率、片狀石墨級(jí)別以及珠光體的體積分?jǐn)?shù)如表2所示。從表2中可以看出：1～3號(hào)樣的基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)比較接近；4號(hào)樣基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)很低；5號(hào)樣基體中基本全部為珠光體。

2．2鑄鐵試樣微觀組織與抗拉強(qiáng)度間的關(guān)系石墨形態(tài)、數(shù)量、尺寸大小以及分布情況對(duì)鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響非常大。5種試樣的抗拉強(qiáng)度如表1所示，其抗拉強(qiáng)度順序?yàn)椋?號(hào)樣＞2號(hào)樣＞3號(hào)樣＞4號(hào)樣＞5號(hào)樣，其原因主要在于石墨形態(tài)。在球墨鑄鐵中石墨形態(tài)為團(tuán)球狀，表面比較圓潤(rùn)，石墨表面的應(yīng)力集中作用相對(duì)于蠕蟲狀和片狀來(lái)說(shuō)小得多。同樣，蠕蟲狀石墨端部圓鈍，且石墨長(zhǎng)度比片狀石墨短得多，故蠕蟲狀石墨比片狀石墨應(yīng)力集中作用及對(duì)基體的分割作用要小得多?；诣T鐵中的石墨形態(tài)呈針片狀，石墨細(xì)長(zhǎng)且其端部尖銳，對(duì)基體的割裂作用很大且與基體界面處應(yīng)力集中效應(yīng)很大，在外界拉應(yīng)力作用下很容易形成裂紋源并進(jìn)行擴(kuò)展。石墨形態(tài)從球狀到蠕蟲狀再到片狀，石墨的比表面積增大，對(duì)基體的分割作用越來(lái)越大，石墨邊緣越尖銳，石墨端部的應(yīng)力作用越大。因此，相對(duì)于石墨呈片狀的灰鑄鐵，球墨鑄鐵需要吸收更大的能量，即需要更大的外界拉應(yīng)力才能夠形成裂紋源［8］。故在基體組織差別不是非常大的情況下（如：1～3號(hào)樣和5號(hào)樣的基體組織主要為珠光體），從石墨形態(tài)來(lái)說(shuō)，球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度要大于蠕墨鑄鐵，也大于灰鑄鐵。2～4號(hào)樣為同一類鑄鐵（蠕墨鑄鐵），石墨形態(tài)雖都是蠕蟲狀，但其抗拉強(qiáng)度差異較大。3種石墨分布都比較均勻，2號(hào)樣的石墨相對(duì)較短較粗，即石墨長(zhǎng)寬比較小，石墨比較致密，而3號(hào)樣和4號(hào)樣的石墨相對(duì)較細(xì)長(zhǎng)，致密性較差。在基體和蠕化率基本的相同條件下（2號(hào)樣和3號(hào)樣），石墨致密度越大，蠕墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度就越高，與文獻(xiàn)［9］結(jié)論相同。4號(hào)樣蠕化率比3號(hào)樣的低，出現(xiàn)了部分球狀石墨，僅從蠕化率大小來(lái)說(shuō)，4號(hào)樣抗拉強(qiáng)度應(yīng)高于3號(hào)樣，但4號(hào)樣基體中珠光體含量只有30％～40％，比3號(hào)樣少得多。珠光體抗拉強(qiáng)度比鐵素體抗拉強(qiáng)度高得多，珠光體體積分?jǐn)?shù)越高，蠕鐵抗拉強(qiáng)度越高，故4號(hào)樣抗拉強(qiáng)度比3號(hào)樣的低。

2．3鑄鐵石墨形態(tài)對(duì)切削加工性能的影響切深2．0mm，測(cè)得的5種試樣主切削力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中，主切削力取負(fù)值表示刀具受力向下。從圖2中的切削曲線可以看出：5種試樣的切削曲線都很不穩(wěn)定。文獻(xiàn)［10－11］認(rèn)為：材料組織不均勻性對(duì)加工性能的穩(wěn)定性有明顯影響。在鑄鐵中，相對(duì)于基體組織來(lái)說(shuō)，石墨結(jié)構(gòu)比較軟，相對(duì)于珠光體和鐵素體基體來(lái)說(shuō)，可以看作是空隙［12］，且在鑄鐵的澆鑄過(guò)程中容易產(chǎn)生偏析或形成硬質(zhì)顆粒，所以灰口鑄鐵組織的均勻性較差，造成其主切削力不穩(wěn)定。表3為不同切深條件下的主切削力（絕對(duì)值，下同）。在切深2．0mm情況下，球墨鑄鐵1號(hào)樣的主切削力大約是灰鑄鐵5號(hào)樣的1．6倍。珠光體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到80％的2號(hào)樣和3號(hào)樣的主切削力，分別大約是灰鑄鐵5號(hào)樣的1．3倍和1．2倍。從表1和表3中可以看出：隨著試樣抗拉強(qiáng)度的遞減，其主切削力并非也呈遞減的趨勢(shì)。1～4號(hào)樣的抗拉強(qiáng)度分別約是5號(hào)樣的3．3倍、2．4倍、2．0倍和1．5倍，切深為2．0mm條件下的主切削力分別約是5號(hào)樣的1．6倍、1．3倍、1．2倍和0．7倍。同樣，在切深為1．5mm時(shí)，1～4號(hào)樣的主切削力分別是5號(hào)樣的1．6倍、1．1倍、1．0倍和0．7倍，可見在不同切深條件下，5種試樣的主切削力具有一致的趨勢(shì)。因此，可以看出抗拉強(qiáng)度跟主切削力并沒有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是受基體的影響較大。從石墨形態(tài)來(lái)分析，蠕蟲狀石墨尖端比灰鑄鐵圓鈍的多，產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)要小得多，因此，需要更大的外力才能使石墨基體界面處產(chǎn)生裂紋源，這就是蠕墨鑄鐵4號(hào)樣比灰鑄鐵5號(hào)樣抗拉強(qiáng)度高的主要原因。雖然蠕墨鑄鐵4號(hào)樣珠光體體積分?jǐn)?shù)只有30％～40％，而5號(hào)樣基體組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到98％，但4號(hào)樣抗拉強(qiáng)度卻比5號(hào)樣的高，可見在抗拉強(qiáng)度方面，石墨形態(tài)的影響要比珠光體體積分?jǐn)?shù)的影響顯著。從主切削力來(lái)看，5號(hào)樣珠光體體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)比4號(hào)樣的高，在外力作用時(shí)片狀石墨與蠕蟲狀石墨相比，更容易在應(yīng)力作用下剝落。5號(hào)樣的切削加工性能卻比4號(hào)樣的差，可見基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)的差異是蠕墨鑄鐵4號(hào)樣的主切削力小于灰鑄鐵5號(hào)樣的主要原因。從1～3號(hào)樣和5號(hào)樣可以看出：珠光體體積分?jǐn)?shù)基本相同的條件下，抗拉強(qiáng)度與主切削力呈現(xiàn)出一樣的變化趨勢(shì)。

3結(jié)論

（1）鑄鐵的抗拉強(qiáng)度與石墨形態(tài)、緊實(shí)度和基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。石墨不致密傾向越小即石墨的長(zhǎng)寬比越小，石墨越緊實(shí)，石墨尖端的應(yīng)力集中和分割基體作用越小，抗拉強(qiáng)度越高。（2）對(duì)各種石墨形態(tài)的鑄鐵來(lái)說(shuō)，其抗拉強(qiáng)度與主切削力沒有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，5種鑄鐵試樣的抗拉強(qiáng)度之比約為3．3∶2．4∶2．0∶1．5∶1．0，而切深2．0mm時(shí)的主切削力之比約為1．6∶1．3∶1．2∶0．7∶1．0，并非抗拉強(qiáng)度越高其主切削力越大。石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響顯著，而基體中的珠光體體積分?jǐn)?shù)對(duì)鑄鐵的主切削力影響顯著。

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作者：李宗亮 任鳳章 王冰洋 熊毅 單位：河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心