灰铸铁缸体切削加工性能的影响因素分析

近年来,国内汽车工业发展迅速,各大公司全面引进汽车产品、加工装备,以图在短时间内推出有竞争力的新产品,迅速占领市场,铸件产品一般采用先进口后自制方式,其中,灰铸铁缸体是产量大的典型铸件,在国产化的过程中,进口和国产同样缸体在同一生产线上加工时,国产铸件切削加工的生产效率只有进口件的40%~80%,刀具的寿命低,严重影响缸体铸件的国产化过程。东风汽车公司,一汽和国内其它一些大型汽车制造厂家都存在相似的问题或经历。因此,提高灰铸铁缸体的加工性能已成为急迫的问题。由于影响灰铸铁铸件加工性的因素众多,增加了改善加工性的困难,笔者综合目前国内外灰铸铁切削加工性的研究成果,分析影响灰铸铁缸体切削加工性能的影响因素,为改善灰铸铁缸体加工性能提供参考。

1灰铸铁缸体材料及其加工性能

灰铸铁缸体一般采用相当于国家标准HT250牌号材料制造。如神龙TU3F缸体采用法国PSA集团标准,为无缸套缸体;缸体主要检查顶面及距顶面50mm处缸筒硬度,要求硬度达到207~241HBS,未提出明确强度要求;缸筒壁上石墨为片状A型石墨、4级,不允许C型;基体组织为珠光体≥95%,游离碳化物≤2%;国产化过程中,铸件毛坯与进口缸体铸件的成分相同,国产件的硬度略低于进口铸件;在常规金相检查中,进口铸件和不同磨削时间的国产铸件在同样加工部位的石墨和基体组织均没有明显差别,但在自动线上加工时,国产件的缸顶面珩磨和镗孔时间比进口件长,刀具寿命低。

东风汽车有限公司铸造分公司的主导产品为康明斯6B缸体、缸盖,材料为HT250,分别在E加工线和W加工线加工。E加工线为国产自动加工线,粗加工线速度一般小于100m/min,国产气缸体铸件材料加工性能良好,刀具寿命能满足生产要求;W加工线为进口高速自动加工线,粗加工线速度可达870m/min,国产气缸体铸件材料加工性差,刀具寿命仅为进口铸件的30%左右,降低了生产效率,显著增加了刀具损耗,引起了加工厂的抱怨,强烈要求改善缸体缸盖铸件材料加工性能。

国产铸件在同样的加工条件下与国外铸件相比,加工性能差并非传统意义上的铸件尺寸偏差大、加工余量大、表面质量差、边角白口、硬质点等常见原因,而是铸件材料的强度、硬度、金相组织均无异常的情况下,普遍出现精加工工序刀耗大、加工时间长、铸件加工表面粗糙度差等问题。

2影响灰铸铁加工性能的因素分析

2.1灰铸铁化学成分的影响

2.1.1C和Si

一般加工性理论认为,使用高速钢刀具、切削速度小于150m/min的条件下,石墨粗大,刀具寿命增加,随着灰铸铁中石墨相对体积的增加,石墨片尺寸相对增加,加工性指数呈增加趋势,但石墨数量越少,则加工后表面粗糙度越小。在硬质合金刀具、350m/min高速切削条件下,石墨量的变化使刀具寿命变化较小。因此可以推断,使用陶瓷刀具、在870m/min超高速切削条件下,w(C)量高对提高陶瓷刀具的寿命作用不大。东风汽车公司铸造分公司a试验发现,将缸体w(C)量从3.31%增加到3.42%,缸体粗镗缸孔刀具寿命从20件提高到22件,说明w(C)量不是影响灰铸铁的主要因素。

Si是强烈促进石墨化元素,能降低铁液的白口倾向、减少组织中的碳化物。曾有工厂采用高Si/C比生产高强度、低应力机床床身等灰铸铁件。但是,Si也有负面影响,增加w(Si)量会增加组织中的铁素体量,而且w(Si)高使A1温度升高,珠光体在较高的温度下形成,片间距大,珠光体的强度低。因此在强化孕育效果时,应严格控制w(Si)量。

2.1.2Mn和S

对S在灰铸铁中作用的认识是一个逐步提高的过程,从认为S是有害元素,到灰铸铁中要加入一定量的S来改善孕育效果和石墨形态,从而改善切削加工性能,逐步认识到灰铸铁中w(S)在一定范围内是有利的,这个范围是0.08%~0.12%。当w(S)小于0.05%时,一定要进行增S处理,以改善孕育效果。

AdrianaAnaPereira等人研究了S对FC25(相当于HT250)灰铸铁加工性能的影响。其试验条件是,中频感应电炉熔炼,炉料主要是废钢和回炉料,以石墨增C,铁液的w(C)和w(Si)分别为3.40%和2.15%,利用黄铁矿(FeS2)增S,w(S)分别控制在0.065%、0.12%、0.15%和0.18%。采用FeSiCaAl孕育处理。组织和性能分析试验表明,w(S)的变化对FC25灰铸铁的硬度和共晶团数无显著影响,试样强度的差为17MPa。不同w(S)的试样均为A型石墨,石墨的长度和分布以及珠光体组织并未因w(S)的不同而呈现明显的差别。当w(S)量为0.065%时为Ⅰ型硫化物;w(S)为0.12%时试样主要为Ⅰ型硫化物,含有少量的Ⅲ型硫化物;w(S)量为0.15%时,Ⅰ型和Ⅲ型硫化物的数量相当;而w(S)为0.18%时试样的硫化物主要为Ⅲ型和少量的Ⅰ型。

切削试验结果表明,在切削速度为100m/min,w(S)为0.12%和0.18%时FC25的加工性无明显差别;在切削速度为150m/min和200m/min,w(S)为0.12%、0.15%和0.18%时加工性也无显著差别。比较w(S)0.065%和w(S)0.18%的试样可知,影响切削加工性能的主要因素是硫化物所占的面积比,而不是硫化物形态。与w(S)0.12%试样相比,w(S)0.065%试样加工刀具寿命在切削速度100、150和200m/min的条件下分别下降了24%、32%和38%。在四种w(S)量试样的切削加工中,只有w(S)0.065%的试样发生了比较严重的切削粘刀。上述数据表明,在灰铸铁中添加S,形成一定数量的MnS可以改善灰铸铁的切削加工性能。笔者对进口神龙缸体的微观组织进行了分析,发现较多的细小MnS呈多边形分布于珠光体基体,但进口件的加工性能好是否和MnS有关还有待试验验证。

2.2合金元素的影响

为了提高缸体的力学性能(特别是硬度)与热疲劳性能,缸体生产中常常添加少量的合金元素,这些合金元素主要是:Cr、Cu、Sn、Sb等。下面分析这些合金元素对灰铸铁加工性的影响。

2.2.1Cr灰铸铁缸体Cr合金化可以提高和稳定缸体的硬度,但Cr是一种强碳化物形成元素,会增加铁液的过冷倾向,在缸体的薄壁处形成白口组织,使加工困难。一汽铸造有限公司铸造二厂在捷达缸体的试验中发现,在孕育剂中Cr与Mn、Si和微量的Sb复合加入所获得的试样比在炉料中单独加入Cr合金的要好。

2.2.2Cu

Cu是一种中等石墨化元素,能降低共析转变温度,促进并细化珠光体,阻碍铁素体形成。Cu很少单独使用,通常和碳化物形成元素联合使用,效果更好。和Cu配对的元素有Cr、Mo、Mn、V等。一汽的试验结果表明,Cu加入量加大时,组织中易出现B型石墨和一定数量的索氏体,这两种组织对加工性能都是不利的。因为相对于A型石墨,B型石墨不利于刀具的润滑和断屑而加剧刀具的磨损;索氏体是铸铁组织中的高强度相,增加了刀具磨损。当w(Cu)>0.3%时,刀具的磨损急剧上升,合理的w(Cu)的加入量为0.15%~0.25%。

2.2.3Sn

Sn可增加珠光体量而提高铸铁的强度和硬度,Sn对共晶反应几乎没什么影响,也不改变石墨形态,但对共析反应影响极大。Sn强烈促进基体珠光体化,其作用十倍于铜,是提高铸铁强度、硬度、组织均匀性和耐磨性很有效的元素。但在灰铸铁缸体中w(Sn)应低于0.1%,实际加入量约0.035%。

2.2.4Sb

Sb在铸铁中是一种低熔点表面活性物质,一次结晶时阻碍碳原子的扩散迁移墨和共晶团难于长大,铁液过冷倾向增加。Sb是一种强的珠光体化元素,比锡强2倍,比铜强100倍,但Sb易于晶间偏析。东风汽车公司的试验结果表明,加入w(Sb)0.004%可以明显提高硬度,改善断面敏感性;加少量的w(Sb)不会影响缩尺、白口和石墨形态;当w(Sb)量大于0.03%后,铸铁开始变脆、挠度开始下降。为此建议w(Sb)加入量为0.004%~0.006%。

2.3熔炼与孕育处理的影响

熔炼工艺直接关系到铁液的质量,对缸体铸件的组织和性能有着重要的影响。由于熔炼工艺的不同,会导致石墨形态和尺寸、自由铁素体的数量、珠光体的细化及碳化物数量的差异,这些显微结构的特点决定了缸体铸件的强度、硬度和切削加工性能。

缸体铁液好采用冲天炉—感应炉双联熔炼,这样既可保证有足够量的铁液,又可获得高温、成分稳定的铁液。例如,法国SEPTFONS铸造厂采用水冷热风(400~800℃)冲天炉与无芯工频感应电炉双联熔炼,采用气压保温包浇注,浇注温度控制在1420±10℃,并对铁液进行随流孕育。德国的KHD和哈尔博铸造厂均采用双联熔炼,冲天炉富氧送风,焦炭质量较好,铁液温度能达到1550℃以上。当采用工频炉作为熔炼设备时,铁液会有较大的白口倾向和缩松倾向,此时必须增S[w(S)>0.08%],且进行充分孕育。

在炉料方面,国外炉料多采用废钢+增碳、增硅剂,不用或少用生铁,即“合成铸铁”。在相同碳当量情况下,合成铸铁的抗拉强度比普通灰铸铁高l5~30MPa,硬度高l0HB左右,石墨全为A型,组织的均匀性较好。表1为江苏大学关于废钢配用量的试验结果,表中结果表明,增加废钢的用量可提高灰铸铁的硬度和硬度的均匀性。

采用随流孕育对提高硬度也有一定的作用,大约可提高硬度值5~10HB,同时减小了铸件断面敏感性,使得缸顶面及缸筒内各点硬度分布更加均匀,从而改善灰铸铁的切削加工性能。但是随流孕育加入量不能太大,否则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是不利的。

孕育剂中的w(Ca)量对灰铸铁加工性具有一定的影响,当孕育剂中的w(Ca)量在1.5%~3.0%时,在刀尖表面形成CaO-Mn2O3-SiO2的三元复合氧化物,熔点1553K,在刀尖软化,起到润滑作用。当w(Ca)量超出这个范围,刀尖的复合氧化物形态发生改变、熔点升高,不能软化起润滑作用,对加工性能不利。

2.4灰铸铁组织与硬度的影响

由神龙缸体和捷达缸体的技术标准可知,灰铸铁缸体的石墨形态应为均匀分布的A型石墨,不允许出现C型石墨。B型石墨不利于刀具的润滑和断屑而加剧刀具的磨损。从基体组织来看,索氏体是铸铁中的高强度相,会加剧刀具的磨损。图3为进口和国产神龙缸体的基体组织,由图可知,进口铸件的珠光体片间距均匀,而国产铸件的珠光体片间距均匀性较差,局部存在索氏体组织。因此,珠光体组织的不均匀以及索氏体的存在应该是刀具磨损增加的原因之一。

细化灰铸铁的共晶团,可使共晶团内的石墨细化,细小的A型石墨均匀地分布在珠光体基体上,在切削加工过程中,刀具和石墨接触的机会增加,由于石墨的缺口作用而改善灰铸铁的加工性能。共晶团细化,灰铸铁的强度和硬度增加,因此,硬度增加并不一定恶化灰铸铁的加工性。东风汽车公司铸造分公司对进口和国产的康明斯缸体解剖分析发现,进口缸体共晶团晶界比较容易腐蚀,晶界也比较清晰。国产缸体晶界比较宽、模糊。进口件的硬度比国产的高,共晶团尺寸细小、数量多。

2.5硬质点的影响

国产灰铸铁缸体的基体组织中发现有碳化物、氮化物等硬质点,一般认为硬质点会打刀,因而影响灰铸铁的加工性能。所以要改善切削性能,就要尽可能采取措施减少硬质点,数量越少越好。因此通常合金化大都采取以加Cu、Sn为主,并且加大孕育量,认为这可以减少硬质点的数量,对切削性能有利。

但是,微小的碳化物、磷共晶以及TiC、TiN颗粒硬度都很高,这些硬质点从基体上剥落下来的阻力并不是很大,在高速切削时,它们很容易从基体中剥落,对刀具的磨损影响不大。如果采用加入Cu、Sn为主的合金化,用强有力的孕育措施大幅消除晶间碳化物、磷共晶以及其他硬质点颗粒时,改善了韧性,切削时断屑不好,造成切削温度升高,就会加速刀具的磨损,降低刀具的使用寿命。

3结束语

目前,国产灰铸铁缸体的材料性能已达到进口件的水平,能进行批量生产,缸体的加工性能经国内大量的研究,也得到了一定的改善。但是,加工性能差仍是制约国产灰铸铁缸体发展的主要因素之一。虽然国产灰铸铁缸体加工性能的原因比较复杂,研究结果和认识也不完全统一,但笔者在神龙缸体的加工性能研究中发现,国产件和进口件在成分和性能基本相同的条件下,其宏观和微观组织有较大的差异,同时加工性能差异也较大,这为我们从组织分析和改进入手来改善加工性能提供了一条有效的途径。因此,如能在这方面进行系统深入的工作,可进一步探明造成国产灰铸铁缸体加工性能差的深层次原因,并找出有效的解决措施,从而提高我国缸体生产水平,促进我国汽车工业的发展。