羅耀鑫

摘 要：研究了在加入了一定量的合金元素Cr的基礎(chǔ)上再添加Cu對(duì)灰鑄鐵物理性能、顯微組織及切削加工性能的影響。結(jié)果表明，在單獨(dú)添加Cr時(shí)，灰鑄鐵有較好的強(qiáng)度、硬度，但是灰鑄鐵的組織均勻性較差，在含Cr的基礎(chǔ)上添加合金元素Cu可以改善灰鑄鐵組織的均勻性、斷面敏感性，改善灰鑄鐵的切削加工性能。

關(guān)鍵詞：灰鑄鐵，物理性能，組織形貌，切削加工性能

灰鑄鐵具有良好的鑄造性能、良好的減振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性?；诣T鐵中的片狀石墨對(duì)基體的割裂嚴(yán)重，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度降低，研究表明，為提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，可以在灰鑄鐵中添加一定量的合金元素。綜合考慮各種合金元素對(duì)灰鑄鐵力學(xué)性能的影響和生產(chǎn)成本，可以在灰鑄鐵中添加價(jià)格較低的Cr和Cu進(jìn)行合金化。Cr可以促進(jìn)形成及穩(wěn)定珠光體，是碳化物形成和穩(wěn)定元素，同時(shí)Cr可以使珠光體組織細(xì)化，但會(huì)明顯增大灰鑄鐵白口傾向及斷面敏感性[1]。Cu是促進(jìn)石墨化的元素，能促進(jìn)石墨析出，在鑄鐵中增加鐵素體量，并改善組織敏感性，提高灰鑄鐵的強(qiáng)度、硬度[2]。本文通過(guò)在鑄鐵中復(fù)合加入一定量的Cr元素及不同含量的Cu元素，從抗拉強(qiáng)度、布氏硬度等方面研究了合金元素Cu對(duì)灰鑄鐵組織性能的影響。

1.試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)采用呋喃樹(shù)脂砂造型，鉻以鉻鐵的形式加入爐內(nèi)，Cu以純銅的形式加入包內(nèi)，出爐溫度1480度，澆注溫度1400度左右。

試驗(yàn)采用同一爐鐵液澆注4組試樣，各組加入Cr的含量均為0.2%。Cu含量分別為0.0%、0.1%、0.2%、0.3%。每組試樣分別澆注試棒4根，階梯試塊1個(gè)（如圖1）。試棒可分別加工為拉伸試樣、硬度試樣及金相分析試樣。

采用Thermo ARL3460分析試樣化學(xué)成分，采用CA6140A臥式機(jī)床評(píng)價(jià)試樣的切削性能，采用WE-600液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣抗拉強(qiáng)度，采用TH604數(shù)顯布氏硬度計(jì)測(cè)試試樣布氏硬度（壓頭采用直徑為φ10mm的硬質(zhì)合金球，試驗(yàn)力為3000kg，保載15s），采用Leica DM3000I分析顯微組織與石墨形態(tài)。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1Cu對(duì)灰鑄鐵切削加工性能的影響

灰鑄鐵的切削加工性能可以通過(guò)分析試樣的切削力來(lái)進(jìn)行衡量[3]，試驗(yàn)時(shí)，用QB-07型雙平行八角測(cè)力儀配合動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀分析儀進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換與采集，機(jī)加工進(jìn)行切削時(shí)將車削中受到的力F分解為三個(gè)分力：主切削力Fz-是F在沿切削速度方向上的分力，又稱為切向力。進(jìn)給力Fx-是F在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，外圓車削中又叫軸向，切深抗力Fy-是F在切深方向上的分力，外圓車削中又叫徑向力。在車床上進(jìn)行切削，轉(zhuǎn)速為160r/min，進(jìn)給量為0.294mm/r，改變切削深度為3.5mm，3mm，2.5mm，2mm時(shí)，比較主切削力、進(jìn)給抗力和切深抗力的大小。本試驗(yàn)車刀選用機(jī)加工車刀，刀片為同一廠家生產(chǎn)的同一批次產(chǎn)品的硬質(zhì)合金刀片。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)定，確定切削力與電信號(hào)直接的關(guān)系曲線，本試驗(yàn)通過(guò)向切削時(shí)刀頭受力的z、x方向使用砝碼加載實(shí)現(xiàn)切削力的標(biāo)定，用應(yīng)變儀測(cè)量在一定加載下應(yīng)變的大??；y向則用螺紋加載的方法對(duì)測(cè)力環(huán)加力，找到應(yīng)變與加載的線性關(guān)系如下：

X向（平行于車床主軸方向） y=40.30x-38.24

Y向（水平面內(nèi)垂直于車床主軸方向） y=51.07-33.43

Z向（鉛垂方向） y=109.46x-7.82

式中y代表刀頭所受到的力，x代表八角環(huán)的應(yīng)變。記錄好試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算本試驗(yàn)試樣切削合力變化如表2所示。

試樣1切削力明顯大于其他試樣，說(shuō)明加入Cu可以改善試樣的切削加工性能；表2可以看出試樣3的切削力最小，且含量較低的Cu含量具有較好地切削加工性能，隨著Cu含量的增加，其切削加工性能變差。

2.2 Cu對(duì)灰鑄鐵物理性能的影響

用試驗(yàn)機(jī)及不是硬度計(jì)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度及布氏硬度如表3所示，由表3可以看出，隨著Cu含量為0.0%-0.2%時(shí)，灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度未明顯升高，當(dāng)含量達(dá)到0.3%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度反而降低。當(dāng)不加入Cu時(shí)，試樣布氏硬度極差明顯大于其他加入Cu的試樣。

由表3可以看出，Cu的加入可以明顯降低試樣硬度的差值，因?yàn)镃r的合金化效果非常強(qiáng)烈，Cr的加入使鐵水白口化傾向增大，使組織的均勻性變差，增大斷面的敏感性。Cu的加入減少了白口化的傾向，使組織有較好地均勻性，所以布氏硬度差值較小。

2.3金相顯微組織觀察

金相試樣用4道水砂紙進(jìn)行細(xì)磨，再用金剛石噴霧拋光劑研磨拋光，用金相顯微鏡對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行石墨形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)試樣1石墨形態(tài)為A型，石墨長(zhǎng)度較長(zhǎng)；試樣2、3的石墨形態(tài)也為A型，石墨數(shù)量較多，石墨長(zhǎng)度較短，分布較均勻；試樣4的石墨形態(tài)為A+D型石墨，同時(shí)也有少量塊狀石墨，由試樣1與試樣2的對(duì)比可以看出，Cu的加入有利于石墨形態(tài)及分布的均勻化，而隨著Cu含量的增加，石墨形態(tài)由A型轉(zhuǎn)變?yōu)锳+D型，由于D型石墨鑄鐵和A型石墨鑄鐵有著不同的強(qiáng)化機(jī)理，D、A型混合組織既不滿足D型強(qiáng)化機(jī)理的要求，又不滿足A型強(qiáng)化機(jī)理的要求，所以具有這種組織的鑄件其強(qiáng)度將要下降[4]。

研究表明[5]，鑄鐵的性能除了與石墨形態(tài)有關(guān)外，主要與珠光體的數(shù)量和形態(tài)有關(guān)。將拋光后的試樣用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕可以看出，4組試樣基體組織均為珠光體，含量均大于90%，前3組試樣珠光體片間距差別不大，第4組試樣珠光體片間距明顯大于前3組試樣，珠光體片間距越大，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用越不明顯，所以其力學(xué)性能越差。

3.結(jié)論

（1）合金元素Cr單獨(dú)添加時(shí)，灰鑄鐵具有較好的抗拉強(qiáng)度、布氏硬度，但是組織均勻性較差，同時(shí)灰鑄鐵的切削力較高，切削性能較差。

（2）在量Cu含量為0.2%時(shí)，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、布氏硬度等不會(huì)明顯降低，但是可以使灰鑄鐵達(dá)到最佳的組織均勻性與切削加工性能，使灰鑄鐵保持較好的石墨形態(tài)；加入較高含量的Cu時(shí)，會(huì)使珠光體片間距增大，雖然可以保證切削性能，但無(wú)法保證灰鑄鐵的強(qiáng)度及硬度。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝石堅(jiān). 現(xiàn)代鑄鐵學(xué)，北京：冶金工業(yè)出版社.2004.（6）：157-286.

[2]黃勝操.任鳳章.等. 合金元素Cr對(duì)灰鑄鐵組織性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2013.34（4）：406-408.

[3]楊廣勇.金屬切削原理與刀具 M.北京：北京理工大學(xué)出版社，1993.

[4]徐忠華.裘國(guó)仁.蔣百靈.關(guān)世俊.D型石墨含量對(duì)灰鑄鐵強(qiáng)度的影響.鑄造技術(shù).1986（1）.

[5]王春祺.鑄鐵孕育與實(shí)踐[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991.