球墨铸铁的加工探讨

球墨铸铁的加工探讨(2007-06-1017:00:27)转载▼

近年来，最终用户的需求的不断进步使制造业的工件材料产生明显进展。例如，汽车和卡车更高的燃油效率的需求导致分量轻强度高如高强度钢和球墨铸铁等材料的使用增加。飞机发动机更高燃油效率和更安静的需求刺激纯度、高温强度和韧性更高的高温合金的发展。虽然勉强符合最终用户的需要，但这样的进展有使工件材料更难加工的倾向。就是这个原因，正趋势刀具界进行研究和发展，尤其是车削刀片领域。断屑槽、涂层还有基体化学成分对于刀具性能扮演重要角色。例如，车削刀具涂层技术的进展已经使球墨铸铁和最新的航空高温合金能有效加工。

高硬度MTCVD涂层改善球墨铸铁的加工

球墨铸铁已成为发动机零件和其它汽车、农用设备和机床工业上的零件的日益见的材料。这种合金提供较低的生产成本和良好的机械性能的组合。他们比钢材便宜，而比铸铁有更高的强度和韧性。

但同时球墨铸铁非常耐磨，有快速磨坏刀具材料的倾向。这种耐磨性很大程度上受珠光体含量影响。某一已知球墨铸铁的珠光体含量越高，它的耐磨性越好而且它的可加工性越差。

可以预计，高硬度和高耐磨的切削材质需考虑球墨铸铁的高耐磨性。并且事实上材质包含极硬的TiC(碳化钛)或TiCN（碳氮化钛）的厚涂层在切削速度每分钟300米时加工球墨铸铁被证明通常是有效的。但是随着切削速度的增加，切屑/刀具结合面的温度也在增加。当发生这样的情况，TiC涂层倾向于和铁发生化学反应并软化，更多的压力作用在抗月牙洼磨损的涂层上。在这些条件下，希望有一种化学稳定性更好的涂层，如Al2O3（虽然在较低的速度下不如TiC硬或耐磨）。

化学稳定性比耐磨性更成为一个重要的表现性能分界的确切速度和温度取决于被加工球墨铸铁的晶粒结构和性能。但是通常厚涂层的TiC或TiCN和仅有氧化物的较薄涂层是针对球墨铸铁应用的，因为今天大部分这类被加工材料的切削速度在每分钟150到335米之间。对于速度高于每分钟300米的应用，人们对这种材料是满意的。

为了使这个范围性能最优，山高研发和推出了针对球墨铸铁加工的材质TX150。这种材质有一个硬且抗变形的基体，对于加工球墨铸铁很理想。它的涂层由一层较厚的很耐磨的碳氮化钛和一层较薄的抗月牙洼磨损的氧化物涂层，顶面是一薄层TiN。这种涂层运用目前工艺水平的产生耐磨性和抗月牙洼磨损需要的CVD涂层的全部硬度而且韧性平滑性增加的中温化学气相沉积（MTCVD）工艺。基体/涂层的组合性能给予很高的抗塑性变形和刃口微崩能力，使之成为正常速度下加工球墨铸铁的理想材质。

涂层陶瓷也表现出能有效加工球墨铸铁。在过去，未涂层的韧性较好的诸如氮化硅和碳化硅纤维强化的氧化铝陶瓷应用受工件材料化学亲和性的限制。但是今天通过使用能抵抗切屑变形过程产生高热量的涂层刀具寿命已经显著增加。而某些早期这个领域的工件加工使用氧化铝涂层晶须强化陶瓷，今天的多数研究活动集中于TiN涂层氮化硅。这种涂层能显著拓宽韧性较好的陶瓷的应用范围。

高温合金

虽然涂层的发展已在黑色材料应用里产生最多戏剧性的生产率提高，也在高温合金和钛合金加工中取得改善。细颗粒硬质合金和PVD涂层的发展，以及怎样运用陶瓷和CBN切削材料的知识增加都对更高的金属切除率和提高表面光洁度作出贡献。

图4全黑UC5105与UC5115刀片与涂层结构

a)全黑超平滑涂层

b)一般CVD涂层

图5全黑超平滑涂层与一般CVD涂层表面粗糙度比较

图6切削铸铁刀具材料与断屑槽选择铸铁一般分普通铸铁与球墨铸铁。普通铸铁亦称灰口铸铁，其组织中含片状石磨(图1a)石墨是固体润滑剂，有自润滑作用，故自身耐磨性很好，机床的床身，发动机的缸体等重要零件常用之，但片状石哪是易剥落的脆性结晶，不耐冲击，其切屑不能连续伸长，形成崩碎型切屑(图2)造成切削力不断波动，在切削过程中产生高频振动．铸件表面的粗糙与不平，切削时使刀具产生机械磨损。切屑粘接(Adhesion)，熔接(Welding)在刀具表面．切削中也会由此造成磨损及缺损(Chipping)破损(Broken)。球墨铸铁指组织中的石墨经特殊处理形成球墨状的铸铁(图1b)从而使性能大为增强，其抗拉伸强度甚至可达900MPa。它有一定的延伸率，故切屑可能呈连续带状(图3)。刀具前刀面磨损会增大，由于含有石墨组织，切削力乃有波动。当其基体组织为珠光体时，因硬度高刀具破损较大，当其组织为铁素体时．则切屑易粘结．熔结在刀具上。各刀具大制造商为高效加工铸铁零件都在不断努力环发新的刀具材料、涂层与更好的几何形状结构的刀具。三菱公司新开发了针对各类铸铁零件加工的全黑，超平滑优质涂层UC5105与UC5115令人瞩目(图4)。这二类刀片在汽车制造业，压缩机制造业等许多行业中取得很大成就。图4为UC5105与UC5115的涂层组织。这种组织特点是：耐磨性高，其原因在于采用厚膜微拉Al2O3与纤维状做粒TiCN涂层，这比原有的CVD涂层耐磨性提高很多。耐缺损、耐破损性高，缺损或称缺口，微崩。破损，俗称崩刃，它是硬质合金等烧结硬脆刀具材料的一种特有损伤形式。它是在承受力的冲击或热应力急剧变化所形成热冲击时，引起的脆性损伤，也可能是因切屑粘接熔接在刀具上而造成，一般的粘结、熔结磨损是金属零件磨损原因之一。对于硬脆的烧结刀具材料来说，更主要的是如果在刀具表面上有牢固粘接(Adhesion)．熔接(Wolding)的切屑或积屑瘤，它们在被后续加工冲击后，强行使它与刀具表面分离，在分离的同时使刀具表面或刃口上部分材料也一齐带走，这称粘接熔接缺损与破损。UC5105与UC5115除涂敷坚硬耐磨的抗粘接熔接的优质Al2O3层外，还采取特殊的平滑涂层(EvenCoating)方法使表面平滑度大幅度提高，从面使抗粘接熔接性能进步提高，粘结与熔结物的减少，这方面造成的换伤也大大减少了。图5为超级平淆涂层与一般涂层的表面粗糙度比较，这种涂层材料所加工零件表面质量也可改善。改善硬质合基底材料性能，UC5105采用高硬度基体材料．适应高速连续切削铸铁。UC5115采用特别强韧的基体材料适应断续切削，在不明切削条件的情况下UC5115是首选材料。图6中，红圆代表连续切削，带四缺口红圆表断续切削、带一个缺口红圆表一般切削。图6中纵座标表示切深。S表轻切削(ap=0.5～1.5mm)，M表中切削(ap=1.5～4.4mm)，G表准重切削(ap=4～7mm)，横座标表进给量。图中齐椭圆上方是推荐的断屑槽．如MA，全周，平顶(即无断屑槽)等，下方表推荐的刀具材料。UC5105、UC5115与ISO硬质合金标准对照与推荐切削条件如图7。UC5105是要求车削加工时，耐磨性高时选用的刀片材料．UC5115是车削加工时，同时要求耐磨性与韧性均好，二种性能能做到平衡时，应选用的刀片。表中可知UC5115也能切削碳钢，合金钢。图8是此二种材料，应用实例。当精加工用比轻切削更低的切削用量时．可用金属陶瓷NX2525，带锋利磨制出断屑槽R/L-F的刀片去加工。20世纪50年代开始许多研究所，公司那怀着一种理想．想创制一种新型的铸铁，它的强度、硬度比普通铸铁高，它的可铸性，热传导性，可加工性比球多铸铁更一些，这类铸铁的石墨结构呈蠕虫状，称蠕墨铸铁又简称CGI。蠕墨铸铁显微结构中的石墨形成了三维的蠕虫状粒子．这种结构在扫描电子显微镜(SEM)下看起来象珊瑚。其石墨形态再加上圆形边缘不规则表面，使石墨与基体间具有很大的结合力限止了裂纹生成与发展，故其抗拉强度可比普通铸铁高75%，硬度高45%，在高温条件下其耐疲劳强度比铝高5倍。由于蠕墨铸铁的优异的综合性能，为需承受高机械与热负荷的复余零件提供了应用场所，目前它已在柴油发动机和气缸盖等多方面用得越来越广，因为它可以承受更高的燃烧压力。当气缸中压力增大，燃烧过程就变得更洁净，二氧化碳、微粒，氧化氮等废气、污染物质的排放就大大降低，其环保愈义很大。

图7二种刀片材料适用范围与推荐的切削条件

蠕墨铸铁至今尚未与普通铸铁、球墨铸铁一样被标准化，因此切削加工时，由于蠕墨化状况，部分石墨球化率、珠光体量的不同，被切削性能可能差异很大，加工它时．一般最重要延选择切削速度，通常大致选普通铸铁与球墨铸铁之间而更接近于球墨铸铁适用推荐伏，大致可选比普通铸铁低10%，比球墨铸铁高5%，约20m/min较适当(原文如此。切削技术网站编