影响缸体用灰铸铁加工性能的因素

陆小凤

影响缸体用灰铸铁加工性能的因素
近年来，随着中外技术合作的加强，在许多中外合资厂中都出现了缸体灰铸铁件的力学性能，金相组织与国外的铸件相当，都符合要求，但加工时刀具磨损要比进口灰铸件严重的多的现象。这严重影响了缸体铸件的国国产化。如某一铸造二厂在对自己生产的捷达车发动机缸体铸件进行加工时发现，在相同的刀具和加工工艺的条件下，其刀具磨损是国外同类铸件刀具磨损的10倍。铸件的加工性能可以切削力，刀具磨损和表面光洁度等方面考虑。影响灰铸件的加工性能的因素是多方面石墨的形态和含量，合金元素，微量元素和铸造工艺等都对灰铸铁件加工性能有很大影响。
1 碳元素对灰铁加工性能的影响
灰铸铁件的理想组织为：均匀分布，中等大小的A型石墨；均匀分布中等或中细的珠光体基体；尽可能少的夹杂物颗粒；尽可能少的游离分布的渗碳体和磷共晶；材质纯净。首先石墨的形态，数量及分布形式对灰铸件的加工性能有很大的影响。石墨既是灰铸铁中的软相，又对加工刀具有润滑作用并且石墨的量多时有利于裂纹的扩展和切屑的断裂。因此，石墨量多有助于改善灰铸铁的加工性能，即在保证牌号的条件下，提高石墨含量是促成灰铸伯加工性能提高最直接最有效方式。缸体的碳当量高，石墨量多，这也是进口缸体比国产缸体加工性能好的原因之一。面在铸件中方根以石墨和碳化物两种形式存在，碳的存在形式也影响加工性能。当铸铁中含有3%---5%的游离碳化物时，尽管硬度增加不明显，但其力学性能却明显下降，加工性能也急剧恶化。碳与强碳化物形成元素形成的碳化物特别是灰铸铁中的TIC，WC等硬质点硬度可达到1000HV以上，铸铁中这些硬质点，可极大的恶化灰铸铁的加工性能。
2 合金元素对缸体用灰铁件加工性能的影响
一般说来，合金元素大多都提高灰铸铁件的硬度对提高加工性能是不利的。而有些合金元素如锡，可均匀灰铸铁的基体组织，促进石墨析出，细化石墨，改善灰铸铁的男工性能。
研究发现，CU，CR是常用的且对灰铸铁加工性能影响较大的元素。CE为3。85%的灰铸铁中加入CU，CR能显著提高灰铸件强度，但硬度差变化不大，对断面敏感性改善不明显。而对CE为4。07%的灰铸铁件，CU，CR的加入可使阶梯试样的最大硬度差降低10HB，改善由于加入75SIFE所引起的显微组织的不均匀性。CU具有很强的珠光体化作用，CU通过提高基体强度可减小由于加入硅基和碳基孕育剂所引起显微组织硬度不均对加工性能的影响，并且可减小形成碳化物的倾向，促进石墨析出。当CU的加入量在0。5—1。0%时，对铸件的显微组织和力学性能影响最大。
一般而言，反石墨化的合金元素大多恶化灰铸铁的加工性能。因此，传统的观念认为这些元素对灰铸件性能是不利的，但研究发现并非如此。如MN是反石墨化元素，过去常被认为是产生组织中不均匀的“过硬块”的方根原因。因此，在组织成分中限制它的含量研究发现，MN量太低是在灰铸铁件组织中产生过硬块的主要原因。当MN量太低，富裕硫量多，形成过多三元芥体过硬块，这些过硬块是造成灰铸铁件难加工的主要原因。MN元素可与铸件中的S元素形成硫化锰，而硫化锰是高熔点物质，它不仅可做为凝固时形核剂，从而细化和均匀基体组织，而且在切削加工时，硫化锰可粘附在切削刀具边表面，减小切削加工时的刀具磨损量，从而减少了加工时的刀具损耗。因此，一般应适当的MN在组织成分中的含量。
3 微量元素对灰铁件加工性能的影响
微量元素对铸件性能也有极大影响。在微量元素中TI被认为是对灰铸铁件加工性能影响最大的有害元素。对TI的研究起源于20世纪90年代。在对国产缸体进行加工量才录用现，国产缸体铸件比进口缸体铸件的刀具磨损严重。李涛等，赵书成等的研究发现，国产铸件TI含量太高是造成刀具磨损大的主要原因。TI在铸铁中形成TIN，TIC等硬质点，其硬度很高，在1000HV以上，从而导致刀具磨损加快。中国一汽研究认为，06缸体材质中TI的质量分数应严格控制在0。03---0。04%东风汽车公司生产的本田缸体灰铁件也存在加工性能差的问题，本田公司认为生铁中TI量太高是主要原因。对国产缸体灰铁件与进口缸体灰铁件的显微组织进行对比发现，当国产铸件的晶间没有化合物析出时，国产铸件与进口铸件的共晶材中心和晶间区截开成分差异不大，即晶间偏析不大。当有化合物析出时，两者差导师明显。进口铸件中一般为磷共晶，其中因溶了一定量的MN，CR，V；国产铸件的晶间化合物比较复杂，一般即有磷共晶，又有复合碳化物。化合物中固溶了MN，CR，V 等元素。许多晶产碳化物上有另一种多角形的碳化物出现，其组成十分复杂，含有TI，MN，CR，V 等元素。研究发现，这些微量元素中TI对灰铸铁件加工性能的影响最大，V与TI相比，其影响程度约为TI的1/10，CR的影响更小。因此，应尽量减少铸铁组分中TI的含量。
PB和TE对铸铁加工性能的影响也是很大的。李涛等研究发现，PB的丰硕可在灰铸铁中产生异型石墨，主要的异型石墨有魏氏体和尖头石墨。异型石墨析出极大恶化灰铸铁件加工性能。PB量在0。003%---0。005%范围内，灰铸铁的强度PB量的增加而减小。当PB量小于0。003%，灰铸件的性能受PB量影响很小。因此为了提高灰铸件加工性能和强度，在实际生产中PB的含量控制在小于0。003%，灰铸件的性能受PB量影响很小。因此，为了提高灰铸件加工性能和强度，在实际重重阁PB的含量控制在0。003%以下。微量的TE会显著增加过冷石墨和异型石墨的含量，恶化灰铸铁加工性能，并显著降低灰铸铁件抗拉强度。TE量在0—0。0021%之间时，铁素体量随TE含量的增加而增加，从5%左右增加至30%左右；当TE量在0。0021%---0。0043%范围时，铁素体的量随TE含量的增加南昌降低，最终又降至5%左右。因此，尽量减小TI，PB，TE的含量使其控制在合适范围内，并昼使其所生成的化合物弥散分布。
4．铸造工艺对加工性能的影响
铸造工艺对灰铸铁件的加工性能也有影响。碳是铁液中的重要元素，碳的获得方式能对灰铸铁件中石墨形态产生影响，进而影响灰铸铁件加工性能。碳的获得方式有两种，一种是通过加生铁获得，一种是通过铁液中加增碳剂获得。通过增碳剂所获得碳的形态比较好，并且加工性能优良。国产缸体的原料主要有回炉料，废钢，生铁。为了简化生产工序，一般通过提高原料中的生铁的含量来达到增碳的目的。
出铁温度越高，材料的强度越高，材质的均匀性越好，且硬度增加不明显。因此，提高出炉温度，可提高灰铁件的加工性能。
不同的熔炼方式对灰铸铁件的加工性能也有影响。研究发现电炉熔炼铸造工件要比冲天炉熔炼铸造工件的硬度低，且电炉可以较好的控制铁液的化学成分，使铸件有理想力学性能和加工性能。
孕育技术是提高灰铸铁强度的常用方法传统的孕育剂有硅基和碳基孕育剂。硅基孕育剂孕育形核机理一般认为依靠硅与氧形成二氧化硅晶核成为形核中心。由于二氧化硅的晶体结构与石墨的晶体结构相似，从而使碳以石墨的形式析出。随着凝固过程的进行，铁液中硅的含量将大大减少，而硅影响共析转变温度致使铸件中的珠光体在不同的温度下形成，从而造成珠光体硬度不均，使铸件的加工性能恶化近年来针对这一问题张良善研究了RAC，RT4，HY，RCC等多种复合孕育剂对灰铸件加工性能的影响，研究发现这些孕育剂在提高灰铸铁件综合加工性能方面有良好作用在原来75SIFE的基础上，开发了含钡锶，锆稀土以硅铁为基的孕育剂。钡锶锆稀土这些元素可在凝固瞬间形成大量晶核，而不是依靠硅和碳的起伏形核，因此，铸件组织有良好的均匀性，加工性能较用传统孕育剂所生产铸件加工性能要好的多。
铁液的冷却快慢对石墨形态和金相组织产生很大影响。而铸件的冷却速度由造型方法决定。金属型铸造，金属壳型铸造，壳型填充铸造多具有较大的冷却速度，加而所生产的铸件的硬度较高，加工性能较差。
砂型对灰铸铁的加工性能也有影响，研究发现自硬树脂砂模的铸件比潮模砂的铸件，在相同的铸造条件下，铸件的加工性能要好的多。
开箱温度对铸件的加工性能也产生影响。研究发现，开箱温度越高，灰铸铁件的加工性能越差。一般而言，开箱温度越高，基体组织中碳的尝试就越高。高的开箱温度使碳没有时间扩散到石墨晶核上，铸件的基体组织中有大量面化物，这些碳化物增加基体组织的不均匀性，导致铸件加工性能恶化研究还发现，对汽车缸体铸件而言，自珠光体形成后，降低开箱温度可改善其加工性能。