近年來,國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展迅速,各大公司全面引進汽車產(chǎn)品、加工裝備,以圖在短時間內(nèi)推出有競爭力的新產(chǎn)品,迅速占領市場,鑄件產(chǎn)品一般采用先進口后自制方式,其中,灰鑄鐵缸體是產(chǎn)量大的典型鑄件,在國產(chǎn)化的過程中,進口和國產(chǎn)同樣缸體在同一生產(chǎn)線上加工時,國產(chǎn)鑄件切削加工的生產(chǎn)效率只有進口件的40%~80%,刀具的壽命低,嚴重影響缸體鑄件的國產(chǎn)化過程。東風汽車公司,一汽和國內(nèi)其它一些大型汽車制造廠家都存在相似的問題或經(jīng)歷。因此,提高灰鑄鐵缸體的加工性能已成為急迫的問題。由于影響灰鑄鐵鑄件加工性的因素眾多,增加了改善加工性的困難,筆者綜合目前國內(nèi)外灰鑄鐵切削加工性的研究成果,分析影響灰鑄鐵缸體切削加工性能的影響因素,為改善灰鑄鐵缸體加工性能提供參考。

1灰鑄鐵缸體材料及其加工性能

灰鑄鐵缸體一般采用相當于國家標準HT250牌號材料制造。如神龍TU3F缸體采用法國PSA集團標準,為無缸套缸體;缸體主要檢查頂面及距頂面50mm處缸筒硬度,要求硬度達到207~241HBS,未提出明確強度要求;缸筒壁上石墨為片狀A型石墨、4級,不允許C型;基體組織為珠光體≥95%,游離碳化物≤2%;國產(chǎn)化過程中,鑄件毛坯與進口缸體鑄件的成分相同,國產(chǎn)件的硬度略低于進口鑄件;在常規(guī)金相檢查中,進口鑄件和不同磨削時間的國產(chǎn)鑄件在同樣加工部位的石墨和基體組織均沒有明顯差別,但在自動線上加工時,國產(chǎn)件的缸頂面珩磨和鏜孔時間比進口件長,刀具壽命低。

東風汽車有限公司鑄造分公司的主導產(chǎn)品為康明斯6B缸體、缸蓋,材料為HT250,分別在E加工線和W加工線加工。E加工線為國產(chǎn)自動加工線,粗加工線速度一般小于100m/min,國產(chǎn)氣缸體鑄件材料加工性能良好,刀具壽命能滿足生產(chǎn)要求;W加工線為進口高速自動加工線,粗加工線速度可達870m/min,國產(chǎn)氣缸體鑄件材料加工性差,刀具壽命僅為進口鑄件的30%左右,降低了生產(chǎn)效率,顯著增加了刀具損耗,引起了加工廠的抱怨,強烈要求改善缸體缸蓋鑄件材料加工性能。

國產(chǎn)鑄件在同樣的加工條件下與國外鑄件相比,加工性能差并非傳統(tǒng)意義上的鑄件尺寸偏差大、加工余量大、表面質(zhì)量差、邊角白口、硬質(zhì)點等常見原因,而是鑄件材料的強度、硬度、金相組織均無異常的情況下,普遍出現(xiàn)精加工工序刀耗大、加工時間長、鑄件加工表面粗糙度差等問題。

2影響灰鑄鐵加工性能的因素分析

2.1灰鑄鐵化學成分的影響

2.1.1C和Si

一般加工性理論認為,使用高速鋼刀具、切削速度小于150m/min的條件下,石墨粗大,刀具壽命增加,隨著灰鑄鐵中石墨相對體積的增加,石墨片尺寸相對增加,加工性指數(shù)呈增加趨勢,但石墨數(shù)量越少,則加工后表面粗糙度越小。在硬質(zhì)合金刀具、350m/min高速切削條件下,石墨量的變化使刀具壽命變化較小。因此可以推斷,使用陶瓷刀具、在870m/min超高速切削條件下,w(C)量高對提高陶瓷刀具的壽命作用不大。東風汽車公司鑄造分公司a試驗發(fā)現(xiàn),將缸體w(C)量從3.31%增加到3.42%,缸體粗鏜缸孔刀具壽命從20件提高到22件,說明w(C)量不是影響灰鑄鐵的主要因素。

Si是強烈促進石墨化元素,能降低鐵液的白口傾向、減少組織中的碳化物。曾有工廠采用高Si/C比生產(chǎn)高強度、低應力機床床身等灰鑄鐵件。但是,Si也有負面影響,增加w(Si)量會增加組織中的鐵素體量,而且w(Si)高使A1溫度升高,珠光體在較高的溫度下形成,片間距大,珠光體的強度低。因此在強化孕育效果時,應嚴格控制w(Si)量。

2.1.2Mn和S

對S在灰鑄鐵中作用的認識是一個逐步提高的過程,從認為S是有害元素,到灰鑄鐵中要加入一定量的S來改善孕育效果和石墨形態(tài),從而改善切削加工性能,逐步認識到灰鑄鐵中w(S)在一定范圍內(nèi)是有利的,這個范圍是0.08%~0.12%。當w(S)小于0.05%時,一定要進行增S處理,以改善孕育效果。

AdrianaAnaPereira等人研究了S對FC25(相當于HT250)灰鑄鐵加工性能的影響。其試驗條件是,中頻感應電爐熔煉,爐料主要是廢鋼和回爐料,以石墨增C,鐵液的w(C)和w(Si)分別為3.40%和2.15%,利用黃鐵礦(FeS2)增S,w(S)分別控制在0.065%、0.12%、0.15%和0.18%。采用FeSiCaAl孕育處理。組織和性能分析試驗表明,w(S)的變化對FC25灰鑄鐵的硬度和共晶團數(shù)無顯著影響,試樣強度的差為17MPa。不同w(S)的試樣均為A型石墨,石墨的長度和分布以及珠光體組織并未因w(S)的不同而呈現(xiàn)明顯的差別。當w(S)量為0.065%時為Ⅰ型硫化物;w(S)為0.12%時試樣主要為Ⅰ型硫化物,含有少量的Ⅲ型硫化物;w(S)量為0.15%時,Ⅰ型和Ⅲ型硫化物的數(shù)量相當;而w(S)為0.18%時試樣的硫化物主要為Ⅲ型和少量的Ⅰ型。

切削試驗結(jié)果表明,在切削速度為100m/min,w(S)為0.12%和0.18%時FC25的加工性無明顯差別;在切削速度為150m/min和200m/min,w(S)為0.12%、0.15%和0.18%時加工性也無顯著差別。比較w(S)0.065%和w(S)0.18%的試樣可知,影響切削加工性能的主要因素是硫化物所占的面積比,而不是硫化物形態(tài)。與w(S)0.12%試樣相比,w(S)0.065%試樣加工刀具壽命在切削速度100、150和200m/min的條件下分別下降了24%、32%和38%。在四種w(S)量試樣的切削加工中,只有w(S)0.065%的試樣發(fā)生了比較嚴重的切削粘刀。上述數(shù)據(jù)表明,在灰鑄鐵中添加S,形成一定數(shù)量的MnS可以改善灰鑄鐵的切削加工性能。筆者對進口神龍缸體的微觀組織進行了分析,發(fā)現(xiàn)較多的細小MnS呈多邊形分布于珠光體基體,但進口件的加工性能好是否和MnS有關還有待試驗驗證。

2.2合金元素的影響

為了提高缸體的力學性能(特別是硬度)與熱疲勞性能,缸體生產(chǎn)中常常添加少量的合金元素,這些合金元素主要是:Cr、Cu、Sn、Sb等。下面分析這些合金元素對灰鑄鐵加工性的影響。

2.2.1Cr灰鑄鐵缸體Cr合金化可以提高和穩(wěn)定缸體的硬度,但Cr是一種強碳化物形成元素,會增加鐵液的過冷傾向,在缸體的薄壁處形成白口組織,使加工困難。一汽鑄造有限公司鑄造二廠在捷達缸體的試驗中發(fā)現(xiàn),在孕育劑中Cr與Mn、Si和微量的Sb復合加入所獲得的試樣比在爐料中單獨加入Cr合金的要好。

2.2.2Cu

Cu是一種中等石墨化元素,能降低共析轉(zhuǎn)變溫度,促進并細化珠光體,阻礙鐵素體形成。Cu很少單獨使用,通常和碳化物形成元素聯(lián)合使用,效果更好。和Cu配對的元素有Cr、Mo、Mn、V等。一汽的試驗結(jié)果表明,Cu加入量加大時,組織中易出現(xiàn)B型石墨和一定數(shù)量的索氏體,這兩種組織對加工性能都是不利的。因為相對于A型石墨,B型石墨不利于刀具的潤滑和斷屑而加劇刀具的磨損;索氏體是鑄鐵組織中的高強度相,增加了刀具磨損。當w(Cu)>0.3%時,刀具的磨損急劇上升,合理的w(Cu)的加入量為0.15%~0.25%。

2.2.3Sn

Sn可增加珠光體量而提高鑄鐵的強度和硬度,Sn對共晶反應幾乎沒什么影響,也不改變石墨形態(tài),但對共析反應影響極大。Sn強烈促進基體珠光體化,其作用十倍于銅,是提高鑄鐵強度、硬度、組織均勻性和耐磨性很有效的元素。但在灰鑄鐵缸體中w(Sn)應低于0.1%,實際加入量約0.035%。

2.2.4Sb

Sb在鑄鐵中是一種低熔點表面活性物質(zhì),一次結(jié)晶時阻礙碳原子的擴散遷移墨和共晶團難于長大,鐵液過冷傾向增加。Sb是一種強的珠光體化元素,比錫強2倍,比銅強100倍,但Sb易于晶間偏析。東風汽車公司的試驗結(jié)果表明,加入w(Sb)0.004%可以明顯提高硬度,改善斷面敏感性;加少量的w(Sb)不會影響縮尺、白口和石墨形態(tài);當w(Sb)量大于0.03%后,鑄鐵開始變脆、撓度開始下降。為此建議w(Sb)加入量為0.004%~0.006%。

2.3熔煉與孕育處理的影響

熔煉工藝直接關系到鐵液的質(zhì)量,對缸體鑄件的組織和性能有著重要的影響。由于熔煉工藝的不同,會導致石墨形態(tài)和尺寸、自由鐵素體的數(shù)量、珠光體的細化及碳化物數(shù)量的差異,這些顯微結(jié)構(gòu)的特點決定了缸體鑄件的強度、硬度和切削加工性能。

缸體鐵液好采用沖天爐—感應爐雙聯(lián)熔煉,這樣既可保證有足夠量的鐵液,又可獲得高溫、成分穩(wěn)定的鐵液。例如,法國SEPTFONS鑄造廠采用水冷熱風(400~800℃)沖天爐與無芯工頻感應電爐雙聯(lián)熔煉,采用氣壓保溫包澆注,澆注溫度控制在1420±10℃,并對鐵液進行隨流孕育。德國的KHD和哈爾博鑄造廠均采用雙聯(lián)熔煉,沖天爐富氧送風,焦炭質(zhì)量較好,鐵液溫度能達到1550℃以上。當采用工頻爐作為熔煉設備時,鐵液會有較大的白口傾向和縮松傾向,此時必須增S[w(S)>0.08%],且進行充分孕育。

在爐料方面,國外爐料多采用廢鋼+增碳、增硅劑,不用或少用生鐵,即“合成鑄鐵”。在相同碳當量情況下,合成鑄鐵的抗拉強度比普通灰鑄鐵高l5~30MPa,硬度高l0HB左右,石墨全為A型,組織的均勻性較好。表1為江蘇大學關于廢鋼配用量的試驗結(jié)果,表中結(jié)果表明,增加廢鋼的用量可提高灰鑄鐵的硬度和硬度的均勻性。

采用隨流孕育對提高硬度也有一定的作用,大約可提高硬度值5~10HB,同時減小了鑄件斷面敏感性,使得缸頂面及缸筒內(nèi)各點硬度分布更加均勻,從而改善灰鑄鐵的切削加工性能。但是隨流孕育加入量不能太大,否則會增加鐵素體的數(shù)量,提高材料的韌性,這對高速切削的斷屑性是不利的。

孕育劑中的w(Ca)量對灰鑄鐵加工性具有一定的影響,當孕育劑中的w(Ca)量在1.5%~3.0%時,在刀尖表面形成CaO-Mn2O3-SiO2的三元復合氧化物,熔點1553K,在刀尖軟化,起到潤滑作用。當w(Ca)量超出這個范圍,刀尖的復合氧化物形態(tài)發(fā)生改變、熔點升高,不能軟化起潤滑作用,對加工性能不利。

2.4灰鑄鐵組織與硬度的影響

由神龍缸體和捷達缸體的技術標準可知,灰鑄鐵缸體的石墨形態(tài)應為均勻分布的A型石墨,不允許出現(xiàn)C型石墨。B型石墨不利于刀具的潤滑和斷屑而加劇刀具的磨損。從基體組織來看,索氏體是鑄鐵中的高強度相,會加劇刀具的磨損。圖3為進口和國產(chǎn)神龍缸體的基體組織,由圖可知,進口鑄件的珠光體片間距均勻,而國產(chǎn)鑄件的珠光體片間距均勻性較差,局部存在索氏體組織。因此,珠光體組織的不均勻以及索氏體的存在應該是刀具磨損增加的原因之一。

細化灰鑄鐵的共晶團,可使共晶團內(nèi)的石墨細化,細小的A型石墨均勻地分布在珠光體基體上,在切削加工過程中,刀具和石墨接觸的機會增加,由于石墨的缺口作用而改善灰鑄鐵的加工性能。共晶團細化,灰鑄鐵的強度和硬度增加,因此,硬度增加并不一定惡化灰鑄鐵的加工性。東風汽車公司鑄造分公司對進口和國產(chǎn)的康明斯缸體解剖分析發(fā)現(xiàn),進口缸體共晶團晶界比較容易腐蝕,晶界也比較清晰。國產(chǎn)缸體晶界比較寬、模糊。進口件的硬度比國產(chǎn)的高,共晶團尺寸細小、數(shù)量多。

2.5硬質(zhì)點的影響

國產(chǎn)灰鑄鐵缸體的基體組織中發(fā)現(xiàn)有碳化物、氮化物等硬質(zhì)點,一般認為硬質(zhì)點會打刀,因而影響灰鑄鐵的加工性能。所以要改善切削性能,就要盡可能采取措施減少硬質(zhì)點,數(shù)量越少越好。因此通常合金化大都采取以加Cu、Sn為主,并且加大孕育量,認為這可以減少硬質(zhì)點的數(shù)量,對切削性能有利。

但是,微小的碳化物、磷共晶以及TiC、TiN顆粒硬度都很高,這些硬質(zhì)點從基體上剝落下來的阻力并不是很大,在高速切削時,它們很容易從基體中剝落,對刀具的磨損影響不大。如果采用加入Cu、Sn為主的合金化,用強有力的孕育措施大幅消除晶間碳化物、磷共晶以及其他硬質(zhì)點顆粒時,改善了韌性,切削時斷屑不好,造成切削溫度升高,就會加速刀具的磨損,降低刀具的使用壽命。

3結(jié)束語

目前,國產(chǎn)灰鑄鐵缸體的材料性能已達到進口件的水平,能進行批量生產(chǎn),缸體的加工性能經(jīng)國內(nèi)大量的研究,也得到了一定的改善。但是,加工性能差仍是制約國產(chǎn)灰鑄鐵缸體發(fā)展的主要因素之一。雖然國產(chǎn)灰鑄鐵缸體加工性能的原因比較復雜,研究結(jié)果和認識也不完全統(tǒng)一,但筆者在神龍缸體的加工性能研究中發(fā)現(xiàn),國產(chǎn)件和進口件在成分和性能基本相同的條件下,其宏觀和微觀組織有較大的差異,同時加工性能差異也較大,這為我們從組織分析和改進入手來改善加工性能提供了一條有效的途徑。因此,如能在這方面進行系統(tǒng)深入的工作,可進一步探明造成國產(chǎn)灰鑄鐵缸體加工性能差的深層次原因,并找出有效的解決措施,從而提高我國缸體生產(chǎn)水平,促進我國汽車工業(yè)的發(fā)展。