徐志輝，杜希剛，張守豐，麻 碩

（大連三洋壓縮機(jī)有限公司，遼寧 大連116033）

0 引言

由于灰鑄鐵具有良好的切削性、減振性和耐磨性，使其廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)中［1］，但在鑄件的制造與加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、砂眼、縮松、縮孔及孔洞等缺陷，大大影響了生產(chǎn)效率，也增加了生產(chǎn)成本。白光現(xiàn)、錢(qián)立、崔霞等人［2-7］曾對(duì)裂紋、砂眼、縮松及縮孔等鑄造缺陷的產(chǎn)生原因與控制措施進(jìn)行了大量研究；顏炳祥等人［8］曾對(duì)灰鑄鐵淬火表面孔洞缺陷的形成原因進(jìn)行了分析?？锥慈毕輰?duì)鑄造表面狀態(tài)要求不高的產(chǎn)品，其影響可以忽略，但隨著鑄造技術(shù)的不斷成熟和改進(jìn)，鑄件越來(lái)越多地應(yīng)用于高精密產(chǎn)業(yè)，對(duì)鑄件加工表面的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，掌握表面孔洞缺陷的產(chǎn)生原因及控制措施就十分重要了。

本研究針對(duì)不同鑄造工藝生產(chǎn)的HT250鑄件的表面孔洞缺陷進(jìn)行調(diào)查與試驗(yàn)分析，并確定孔洞缺陷的形成原因。

1 HT250鑄件表面孔洞缺陷

某HT250鑄件在經(jīng)過(guò)立式加工中心銑削加工 （主軸轉(zhuǎn)速為3 397 rps、銑刀型號(hào)FX-MGEML）后，其加工表面出現(xiàn)孔洞缺陷（圖1）。在陽(yáng)光下目視觀察，表面孔洞為細(xì)密分布的白點(diǎn)；在體視顯微鏡下觀察，表面孔洞呈不規(guī)則形狀分布且閃閃發(fā)光，尺寸大約在0.2 mm左右；在金相顯微鏡下觀察，孔洞深處為黑色，且在孔洞的邊緣可看到呈金屬光澤的塌陷物。表面孔洞缺陷的存在影響了鑄件加工后的表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整批鑄件報(bào)廢。在銑削加工條件下沒(méi)有孔洞缺陷的鑄件表面粗糙度值一般為Rz6.3，而有孔洞缺陷時(shí)，一般超過(guò)Rz12。

圖1 鑄件表面孔洞缺陷Fig.1 Surface hole defects of the casting

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度檢測(cè)

從3個(gè)鑄造廠生產(chǎn)的、有表面孔洞缺陷的HT250鑄件各選1個(gè)，采用試樣切割機(jī)在上述零部件上孔洞缺陷分布較多的部位截取并制備硬度試塊，分別標(biāo)記為a、b和c。采用TH600型號(hào)布氏硬度計(jì)對(duì)3個(gè)試塊進(jìn)行硬度檢測(cè)，分別測(cè)3點(diǎn)取其平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可以看到，出現(xiàn)孔洞的零部件，其硬度值較低，均低于GB/T 9439—2010的下限170 HBW。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Hardness testing results

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

受HT250鑄件實(shí)物形狀的限制，按照《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)》（GB/T 228—2002）的試樣制備方法，選取孔洞缺陷分布較多的部位制備矩形拉伸試樣，分別標(biāo)記為a、b和c。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)，試樣a、b的抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而試樣c的抗拉強(qiáng)度不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果Table 2 Results of tensile strength testing

2.3 金相檢驗(yàn)

采用MP-2型號(hào)金屬試樣磨拋機(jī)對(duì)3個(gè)硬度試塊進(jìn)行研磨與拋光，采用OLYMPUS GX51型號(hào)金相顯微鏡對(duì)試塊進(jìn)行金相分析，觀察其石墨形態(tài)。金相組織如圖2所示，可以看到，3個(gè)試塊石墨均呈A型分布，但存在較大的石墨塊，石墨分布不均勻。

采用4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液對(duì)磨拋后的試塊進(jìn)行金相腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察基體組織（圖3）。由圖3可以看到，試塊基體組織主要由鐵素體和片狀珠光體組成，鐵素體主要分布于石墨片的周圍，珠光體含量見(jiàn)表3。從表3可以看到，基體組織中珠光體的含量較少，均低于85%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 石墨分布形態(tài)Fig.2 Graphite morphology

圖3 金相組織Fig.3 Microstructure

表3 石墨分布和珠光體含量Table 3 Graphite morphology and pearlite content

2.4 化學(xué)成分分析

采用CS–8800型號(hào)高頻紅外碳硫分析儀和CA–H51JE型號(hào)高智能錳磷硅分析儀對(duì) 3個(gè)硬度試塊進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表可以看到，試樣a的C含量超出企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上限3.4%；試樣c的 Si/C略低于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下限0.65%；試樣a和b含有Cu，不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 4 Results of chemical composition testing(mass fraction/%)

3 分析與討論

灰鑄鐵的組織由鋼的基體和片狀石墨所組成，其力學(xué)性能與石墨分布形態(tài)、基體的組織有關(guān)?；诣T鐵中的片狀石墨對(duì)基體有割裂作用，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性遠(yuǎn)低于鋼。基體組織對(duì)灰鑄鐵的力學(xué)性能也有一定的影響，鐵素體基體灰鑄鐵的石墨片粗大，強(qiáng)度和硬度最低，珠光體基體灰鑄鐵的石墨片細(xì)小，有較高的強(qiáng)度和硬度。出現(xiàn)孔洞缺陷的HT250鑄件，其基體石墨長(zhǎng)度等級(jí)跨度大，且存在石墨塊。由于石墨強(qiáng)度、硬度極低，塑性為零，因此，灰鑄鐵組織相當(dāng)于在鋼的基體上分布有許多微小孔洞和裂紋。當(dāng)基體鐵素體含量多，零部件局部機(jī)械強(qiáng)度將會(huì)大大降低，其加工表面在高速切削力的作用下，石墨沿石墨塊或粗大石墨處脫落，且在脫落的同時(shí)牽扯著周邊的鐵素體一起塌陷下來(lái)，最終形成大小不等的凹坑，即“孔洞”。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)調(diào)查與分析結(jié)果，要求3個(gè)廠家改進(jìn)鑄造工藝，通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分中的C含量、Si/C比例及冷卻速度，使HT250鑄件的硬度、抗拉強(qiáng)度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及金相組織符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)整改后HT250鑄件，要求在相同的加工工藝條件下進(jìn)行加工。

上述改進(jìn)措施實(shí)施后，觀察所生產(chǎn)鑄件的表面孔洞缺陷情況，結(jié)果未出現(xiàn)表面粗糙度大于Rz6.3的孔洞缺陷。

5 結(jié)論

1）含有孔洞的HT250鑄件硬度、抗拉強(qiáng)度不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，金相組織、化學(xué)成分不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

2）孔洞缺陷是其加工表面在高速切削力作用下，石墨塊脫落并同時(shí)牽扯著周邊的鐵素體一起塌陷下來(lái)，從而形成的大小不等的凹坑；

3）改進(jìn)鑄造工藝使HT250鑄件滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后，能夠控制孔洞缺陷大小，使鑄件表面粗糙度小于Rz6.3。

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