范曉明，譚 聰，雷亞會，蔡坤山，王修強，李漢均

（1.武漢理工大學，湖北武漢 430070；2.湖北三環(huán)鑄造股份有限公司，湖北隨州 441300）

灰鑄鐵鑄造成形性優(yōu)異、減磨減震性好，成本低廉，在汽車、冶金等行業(yè)得到廣泛應用[1,2]。迄今為止，隨著灰鑄鐵鑄件的基體強度的提高，許多汽車的某些工件（如大型載重汽車柴油發(fā)動機缸體、制動鼓等）的選用材料仍以高強灰鐵為主，其市場前景廣闊[3]。但是，灰鑄鐵力學性能的提高導致其切削加工性能降低，特別是高速切削技術(shù)的應用和推廣，對灰鑄鐵的切削性能提出了更高的要求。因此，具有良好切削性能的高強灰鑄鐵，可以降低刀具成本、提高生產(chǎn)效率。

研究表明[4]，影響灰鑄鐵件切削性能的因素很多，而材質(zhì)質(zhì)量一致，材料的微觀組織和性能達到加工參數(shù)要求,則是灰鑄鐵零部件機加工的技術(shù)需求[5]。因此，面對國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鑄件生產(chǎn)條件的不足和企業(yè)對改善灰鑄鐵件加工性的要求，加強相關(guān)研究勢在必行。本文擬以影響高強灰鑄鐵加工性能的主要因素為主線，對高強灰鑄鐵切削性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展進行綜述，并對目前尚存在的問題進行分析，提出相應的解決措施。

1 國內(nèi)外高強灰鑄鐵切削加工性能的研究現(xiàn)狀

工業(yè)發(fā)達國家在上世紀四十年代就對灰鑄鐵材料加工性展開了研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高強度灰鑄鐵的加工性能改善顯著，總體上已能滿足汽車零部件大批量、高效率、自動化加工的要求[6～10]。

近年來，我國許多企業(yè)生產(chǎn)的制動鼓、缸體等高強灰鐵件的力學性能已達到國外鑄件同等水平，金相組織也無明顯差異，但是，在同樣加工條件下，國產(chǎn)鑄件比國外鑄件的加工時間長、刀耗大、加工表面粗糙度比較差。特別在高速加工自動線上，刀具壽命更短[11]。

影響灰鑄鐵加工性的因素主要包括爐料配比、成分、熔煉及孕育處理、石墨形狀和大小、基體組織、型砂水分和煤粉含量以及加工余量等方面[11～13]。目前，國內(nèi)已對合成鑄鐵的易切削特點有了較充分的認識。由于合成鑄鐵需要使用大量的廢鋼，故國內(nèi)的相關(guān)工作主要還在于配料時適當加大碳素廢鋼的比例，采用高碳當量、合金化和孕育處理等措施來改善高強灰鐵的切削性能，確實也取得了一定成效。但是，還難以穩(wěn)定達到國外同類鑄件的質(zhì)量。

由于灰鑄鐵性能由其組織決定[14]，而組織由化學成分和冷卻條件決定。因此，各種因素對灰鑄鐵的影響主要體現(xiàn)在對其組織的影響，進而影響其切削性能。下面扼要說明高強灰鐵件加工性能的相關(guān)研究工作的現(xiàn)狀及主要觀點。

（1）石墨形態(tài)和分布?；诣T鐵中的石墨在切削時可起到潤滑作用，其形態(tài)和分布是決定灰鐵材料強度和切削性能的關(guān)鍵[15]。碳當量高和石墨量多是進口鑄件比國產(chǎn)件加工性能好的原因之一。在保證力學性能前提下，提高石墨含量是促成灰鐵加工性能的最直接有效的方式[16]。當鑄鐵中游離碳化物達到3%～5%時，盡管硬度增加不明顯，但其力學性能卻下降明顯，并急劇惡化加工性能[10]。研究表明，細小均勻的A型石墨斷屑性能好，刀具壽命長。

（2）珠光體片間距。珠光體中的片間距是影響切削性能的重要因素。珠光體片間距越大，越有利于變形[17]。若考慮強度要求，則以中細片狀且分布均勻的珠光體為宜。高強灰鐵中珠光體含量在95%～98%以上，不均勻的片間距會導致刀片受到斷續(xù)沖擊，可能造成刀具微小崩刃。索氏體是高強度相，將加劇刀具磨損，要盡量避免。因此，為改善高強灰鐵的切削性能，可以改善珠光體的形態(tài)，優(yōu)化組織，使其片間距更均勻。

（3）合金化及孕育處理。在灰鑄鐵中加入不同的合金元素及進行不同的孕育處理將會改變鑄鐵的組織和性能。如合金灰鑄鐵中碳、銅、錫、鉻含量變化對切削刀具（硬質(zhì)合金）磨損的影響[18]，多元（含RE、Cr、Mn、Si）合金化和Cu 合金化的相同抗拉強度的灰鑄鐵的加工性能比較[19]。鈦對灰鑄鐵機械加工性能的影響研究表明[20，21]，提高鑄件加工性能的關(guān)鍵是采用合理的加工工藝參數(shù)和降低鈦含量。微合金化處理亦可改善灰鑄鐵微觀組織，提高鑄鐵的綜合性能[22]。

一般而言，合金元素大多都提高灰鑄鐵件的硬度，是不利于提高加工性能的，如鉻。而合金元素錫可均勻灰鑄鐵的基體組織，促進石墨的析出和細化，改善灰鑄鐵的加工性能。反石墨化合金元素則大多使加工性能惡化，如Mn。當Mn 量太低時，則富裕硫量過多，會形成過多三元共晶體硬塊，使灰鑄鐵件加工困難。但是，需要注意的是，Mn 元素可與硫形成高熔點的硫化錳，作為形核劑細化和均勻基體組織，而且在切削加工時，硫化錳會粘附在切削刀具表面，減小磨損，提高刀具壽命。

合適的孕育處理也可改善高強灰鑄鐵的加工性能。單一或幾種復合的孕育劑，都會不同程度地影響缸體用灰鑄鐵的力學性能、壁厚敏感性和加工性能[23]。傳統(tǒng)的孕育劑有硅基和碳基。研究發(fā)現(xiàn)，單獨使用硅基孕育劑會造成珠光體硬度不均，鑄件的加工性能惡化。針對這一問題，研究了以75SiFe 為基礎(chǔ)的含鋇、鍶、鋯、稀土的多種復合孕育劑[24]，使鑄件的組織均勻性和加工性能得到改善。研究結(jié)果表明，灰鑄鐵中A型石墨含量越多，基體組織越均勻，加工性能就越好。復合孕育處理的灰鑄鐵較單一孕育處理的石墨細小彎曲，基體組織均勻性好，因而加工性能更好。

（4）微量元素含量。爐料中含有很多影響其切削性能的有害元素，如生鐵中含有一定量的釩、鈦等。在微量元素中Ti 被認為是對灰鐵件加工性能影響最大的有害元素。因此，想要優(yōu)化灰鑄鐵的切削性能，必須改善微量元素的含量，嚴格控制爐料。

（5）硬質(zhì)點顆粒。灰鑄鐵晶界間分布的微小硬質(zhì)點(碳化物、硫化物顆粒等)適當降低了的韌性，在一定程度上增加了灰鑄鐵的斷屑性，但如果碳化物顆粒過多則又不利石墨析出，影響切削性能。研究發(fā)現(xiàn)灰鑄鐵“料硬”發(fā)生的部位，大都在毛坯的槽、棱角、凸面、表面等局部位置[25]。

（6）鑄造內(nèi)應力。時效退火可消除90%左右的內(nèi)應力，還有部分應力需要長期自然時效才能消除。時效處理的鑄件晶界的斷屑效果明顯改善，切削性能明顯提高。特別對于高速切削而言，晶界處的應力的任何微小變化都會影響到刀具的使用壽命。進口鑄件的切削性能比國產(chǎn)鑄件好很多，就充分說明了長期的運輸和儲存會改善鑄件的切削性能。

（7）鑄造工藝。鑄造工藝對灰鑄鐵的加工性能也有影響。主要體現(xiàn)在以下方面：①碳的獲取方式。碳是通過加生鐵和在鐵液中加增碳劑獲得的。通過增碳劑所獲碳的形態(tài)比較好，且加工性能優(yōu)良。國內(nèi)工廠為簡化生產(chǎn)工序，一般通過提高生鐵的配比來達到增碳目的。②熔煉方法和澆注溫度。沖天爐熔煉和感應爐熔煉所獲得的鐵液中的夾雜物、氧化物及微量元素的含量會有所不同。澆注溫度不同，鐵液中形成的自發(fā)核心數(shù)量可能會不同，將會影響最終獲取的石墨形態(tài)、數(shù)量及分布，同樣會對加工性能產(chǎn)生一定影響[13]。③冷卻速度。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，石墨形態(tài)、數(shù)量和基體組織會受到工藝因素如鐵液的冷卻速度快慢的影響。高的冷卻速度可細化晶粒，但鑄件強度、硬度較高，加工性能通常較差。④開箱溫度。Burke 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，開箱溫度越高，灰鐵件的加工性能越差。⑤出鐵溫度。出鐵溫度越高，材料的強度越高，材質(zhì)的均勻性越好，但硬度增加不明顯。

綜上所述，相關(guān)研究分別涉及高強灰鑄鐵成分、熔煉工藝及孕育處理、石墨和基體組織以及組織中的硬質(zhì)點等多種因素對切削加工性能的影響等內(nèi)容。但研究分析灰鑄鐵的組織參數(shù)與性能之間的關(guān)系，通過鑄造工藝參數(shù)、成分和工藝的優(yōu)化、控制鑄件組織，獲得綜合性能良好的高強灰鐵件等集合多個層面的內(nèi)容報道較少。

2 存在的主要問題及發(fā)展趨勢

（1）存在的主要問題

應該說，在廣大鑄造工作者的努力下，目前我國生產(chǎn)的高強度灰鑄鐵件的加工性能已有了明顯的改善[27]，但與國外還存在較大的差距。存在的主要問題是：①原材料質(zhì)量不夠穩(wěn)定；②熔煉和孕育變質(zhì)技術(shù)的相對落后；③針對不同的高強度灰鐵件的成分選擇、工藝控制不到位。表現(xiàn)為在相同化學成分下，灰鐵件強度往往比國外鑄件低。即使達到強度要求，其穩(wěn)定性也很差，廢品率高，組織均勻性較差導致加工性能差，使得生產(chǎn)成本居高不下。

（2）發(fā)展趨勢及解決措施

目前，國內(nèi)外鑄造工作者對高強度灰鑄鐵發(fā)展的趨勢已有共識，即“三高一低”。在較高碳當量的條件下，獲得高強度、高剛度、低應力的灰鑄鐵，將強度、硬度、石墨化聯(lián)系起來，以達到鑄造性能、力學性能、加工性能的統(tǒng)一。經(jīng)過大量研究工作，總結(jié)出提高灰鐵強度和加工性能的主要措施如下：①調(diào)控鐵液化學成分。采用高碳當量灰鑄鐵，調(diào)整Si/C 和Si-Mn 值，提高鐵液的冶金質(zhì)量；②加入合金元素，低合金化鑄鐵；③提高鐵液熔煉溫度，強化孕育，采用長效高效孕育劑；④采用合成鑄鐵；⑤加強工藝控制。

3 結(jié)論

通過采取加大廢鋼比例，適當?shù)暮辖鸹幚砗蛷娀杏に?，控制原材料的品質(zhì)和生產(chǎn)工藝等措施，已使得高強度灰鑄鐵的切削性能有所改善，但是，由于我國原材料質(zhì)量的不穩(wěn)定及生產(chǎn)控制的不到位仍使得灰鑄鐵的切削問題沒有很好解決。今后，要借鑒國內(nèi)外先進的理論和實踐經(jīng)驗，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，改進材質(zhì)，優(yōu)化成分和工藝，才能以較低的成本，穩(wěn)定生產(chǎn)出強度高、切削性能好的灰鑄鐵件。

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