铸铁的切削性能


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时效有时会提高铸铁的切削性能,这取决于铸铁的材料特性。

有 许多方式可以提高铸件的切削性能。自然时效对铸件切削性能的影响和铸件所含的合金元素有关,如可以促进形成氮化物的钛、促

进形成碳化物的铬和有助于氮迁移的锰。许多实验室和工业测试已验证了铸铁件时效和切削性能的关系,例如切削力、刀具磨损、表面质量和尺寸精度。一项最近的验证实验证实对于特定成分的灰铁有最佳的时效时间可以改善切削性能。

铸铁的自然时效

了解时效强化如何改善切削性能可以帮制造商制定最佳的切削加工时间表。不同类型的钢铁材料如铸铁和钢在室温时效现象早有记载。对于灰铸,室温时效5-30天后拉伸性能增加5%-15%。

淬火铁基合金的时效研究揭示了沉淀析出过程的三个阶段。某些情况下,时效过程初期合金强度下降。铸铁高温时效动力学揭示出不同温度下典型的时效强化曲线(图 1)。以速率常数对绝对温度倒数变化可做出阿累尼乌斯图(图 2)。

合金元素的影响

铸铁的化学成分对室温时效动力学影响很大,而对高温时效动力学影响不大,。实际上,不同的锰和硫的含量对铸铁的时效速率有重要的影响。有研究表明,含相似含量0.04%-0.06%S的硫的铸铁,含锰0.8%-0.83%铸铁的时效完成时间是25天,而含0.51%锰的铸铁只需15天。

为了研究合金元素的影响,评估了六炉不同锰、氮、硫含量的铸铁的时效动力学。强度变化曲线在完全时效强化之前通常有一个预强化峰和一个低谷。

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图2 这些图显示铸铁在室温(a),在华氏360度(182℃)(b),华氏545度(285℃)(c)时效情况下的强化效果。

锰元素影响铸铁预强化峰和完全强化峰出现的时间,含0.53%Mn铸铁的时效反应速率最高,锰含量低或很高其时效反应时间都比较长。

碳化物/氮化物形成元素的影响

铸铁的自然时效强化过程是体心立方Fe(铁素体)中氮化铁的析出过程。在铸铁中,碳化物形成元素例如铬可以减少游离铁素体并且降低总体的强化效果。一项对含0.2%铬的铸态铸铁切削性能试样的实验表明,时效处理后其切削性能并没有改善。

氮化物形成元素如钛、铝和硼可以充分地抑制氮化铁沉淀强化。在凝固时氮会在铁素体中形成亚稳固溶体从而影响铸铁的时效强化。氮化钛的形成会减少溶解的氮,使铸铁不会出现时效强化。根据热力学知识,过饱和铁素体的时效温度范围为室温到572F (300oC),在此范围之外时效强化的效果有限。

铸铁时效后的切削性能

切削力:采用美国铸造协会建议使用的可切削性试件在数控车床上进行表面加工。这些试件有的通过在实验室采用自硬砂造型铸造,有的在工厂采用湿型砂造型铸造。对碳当量为3.9%~4.3%的珠光体/铁素体铸铁分别进行铸态和自然时效25天后的切削性能的对比测试。众所周知,在铸态或未时效状态下铸铁铸铁碳当量较少时,切削力随着铸铁硬度增加而增大。对于自然时效的铸铁则相反,这是因为自然时效提高了硬度,从而降低了切削力。

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图 2 这张图为通过抗拉强度和电阻率的最大提高量估计锰对时效处理时间的影响。

这个反常的现象可以用切屑形成所需的能量来解释。铸铁在未时效处理时,软的铁素体吸收能量以产生大的塑性变形。这一效应导致刀尖处产生积屑瘤。积屑瘤加大了变形区促使切削力增加(类似于刀具磨损)。相反,在铸铁时效的结果是Fe4N从铁素体中析出。Fe4N析出的增加了铁的强度和硬度,使得铁屑只需很小的塑性变形就可形成,这样就减小了切削力。

基体上分布有铁素体和不同形态石墨的其他种类铸铁也有类似的情况。例如,时效后组织为石墨球和大量游离铁素体的球墨铸铁进行时效处理可以减少切削力。

然而,时效处理并不总能提高铸铁的可切削性能。例如,含碳化物形成元素的铸铁时效反而对切削性能起反作用,试样时效处理后的平均切削力比未时效处理情况下明显增大。因为刀具失锋时被动反作用力增大,所以可以用正常切削力和被动切削力的比值可用来表示刀具磨损的情况。当切削含有促进生成碳化物的元素且经过时效处理过的灰铁时,该比值大幅增加。在这种情况下组织是珠光体,带一些斯氏体和自由碳化物,但是没有游离铁素体。

为了验证组织对铸铁的切削性能的影响,对相同炉次浇注铸件进行铁素体化/再固溶热处理后进一步测试。这种处理使珠光体转为铁素体并产生了再固溶效果,因此就可以再次进行自然时效。所观察到的效果与前面讨论的珠光体基体和斯氏体铸铁的结果相反,铁素体化/再固溶热处理后时效处理可以提高灰铁切削性能,在研究的所有切削速度中切削力降低了(图 3)。从这些实验中可以得出结论,所有在时效处理后含有一定量游离铁素体组织的灰铁的切削性能都得到了提高,而没有自由铁素体完全是珠光体与渗碳体/斯氏体组织时则切削力增加。

这种时效后铸铁表现出的不同行为取决于金属基体组织,也和切屑形成需要的能量有关。虽然灰铸铁是拉伸脆性材料,但是切屑可以经历显著的塑性变形,因为在切削加工过程中的主要应力状态是受压和剪切。若假设切屑形成是一种塑性应变断裂,则逻辑上断裂韧性的变化会影响切削行为。拉伸试验的断裂功可以通过应力-位移曲线来估算。在珠光体铸铁中,时效后断裂功和切削力都会增加。

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图3 这些图显示(a)切削速度和时效对铁素体/再固溶处理灰铁的切削力的影响,(b)切削速度和时效切削裂纹平均间距的影响。

相反,热处理铁素体化的铸铁,由于时效的作用,断裂功和切削力会降低。

刀具的磨损和工业加工测量

在室温下时效后灰铸铁加工刀具磨损较低,因为时效后铸铁只需加工中心输入较少的功形成并破碎切屑切削。切削未时效和时效铸铁所需功的减少可以通过测量到的刀具切削力和电流变化来显示。相对于时效1天、9天和20天,切削时效3-6天的铸铁所需功率最小。在最佳的时效时间时,机械加工铸件的表面质量更好(粗糙度低),但是,所有时效过的铸铁比未时效的铸铁加工后的表面光洁度都好。

其它试验通过轿车制动盘的表面加工完成。过度的刀具磨损会改变刀具的几何形状,增加切削力,这会促使铸件发生弹性形变,增加坡度斜度,破坏垂直度要求公差(“坡度”)。工业铸件机加工的坡度数据可以通过两种方式的比较获得。加工50个未时效的铸件需要变动两个刀具位置。在刀具加工50或200个时效铸件后,刀具位置不需要变化,这就意味着加工尺寸更加一致并减少因校正工具位置产生的停机时间。图5给出了不同操作下刀具磨损值的比较。在大多数操作下时效明显减少了刀具的磨损。

为提高铸铁切削性能工业上推荐时效处理

自然时效处理改变灰铸铁的切削性能有三个可能的情形(表1)。

第一个情形:时效不发生,因此,对切削性能无影响。相对氮含量而言,过高的氮化物形成元素(尤其是钛)会引起铸铁欠时效。在铁中添加氮是可能的,它可以促进时效。热力学数据可用于确定是否有足够的“游离氮”来促进铸铁时效。一个简化的标准可能是:若%N<(0.15-0.20)Ti%,时效将不会发生。

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图4 这个图显示了加工中坡度的比较:刀具磨损(法兰区)。

第二个情形:如果铸铁表现出了时效的效果,这种现象可用于提高铸件切削性能。时效可以降低切削力和刀具磨损。这些铸铁有足够的游离氮促进时效强化。

切削力降低,力学性能提高,这些可以通过不同碳当量的实验铸件证明。这些铸铁含有一定的游离铁素体,而没有游离的渗碳体或斯氏体。最佳的时效时间取决于特定的 “游离锰”含量,并且可以估算出来。减少时效时间、改善切削性能可以通过温暖环境(温度轻微升高)下时效。

第三个情形:灰铁中含有大量的除了磷以外的碳化物形成元素,如铬。这些成分的组合在特定的冷却速度下,可以促进在完全是珠光体的基体上形成斯氏体/渗碳体。如果这种铸铁含有可忽略不计的游离铁素体,时效将增大切削力。有效的孕育和成分控制能够影响时效,从而影响铸铁的切削性能。然而,在这种情形下,“新鲜”铸件可能有更好的切削性能。

确认实验

实验采用五个AFS 5J件,直径为10英寸,采用200磅的工业感应炉熔炼,然后浇注到自硬砂铸型中铸造。铸铁化学成分如表2所示。组织大部分为珠光体和约5% – 10%的铁素体。试样中间部分铸态下硬度为200-210HB(未时效)。预先加工去除铸态表面层(1 / 8英寸处),以避免铸件表面结构、铸型与金属相互作用以及几何偏差对实验结果的影响。实验铸件分别在第0天,5天,9天,15天和22天进行数控加工并测量切削力。

每个铸件进行了八道次切削(总加工时间为30分钟),每次使用新的刀具。加工了八种厚度的铸件,每种重复2个。试验结果如图7所示。

这些实验结果与根据建议方法的预测结果进行了对比。

步骤1-可能的时效强度评价:游离氮 = N – 0.20 Ti = 0.01 – 0.2×0.008 = 0.0084wt%或84 ppm;所有%N和%Ti大约得到0.14wt%的Fe4N。会发生时效强化。

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图5 图显示了试样成分与预期的时效强化动力学(a)和时效时间对切削力(黑色标记)和刀具的磨损(红色标记)的影响(b)。

步骤2-控制组织:基体组织中无游离碳化物/斯氏体,片状石墨周围有少量游离铁素体,根据第二个情形时效强化可以提高铸件的切削性能(表1)。

步骤3-时效时间:完全时效时间为15-17天,预强化时间为7-9天。第一个五天刀具切削力大幅下降,15天同样维持低切削力,大致对应室温时效强化所预期时间。

前期研究中的预测得到证实。自然时效9-15天后切削力及其标准差显著降低,这在预期的预强化和完全时效时间之间。考虑其它的切削性能指标,刀具磨损不仅仅取决于切削力的平均值,也与切削过程的稳定性有关,刀具磨损持续减少直到到完全时效时间。

这些原则可以帮助确定时效后铸铁的最佳切削加工窗口时间:

为了实现时效强化,基于总氮和钛的含量关系%N>0.2%Ti的原则估计游离N的量,但氮的含量不要高到产生气孔的程度。

检查无磷共晶/碳化物组织的铁素体/珠光体组织。如果没有游离铁素体的存在,尤其是完全珠光体和一些碳化物或斯氏体,新铸件的切削性能比同样成分时效强化后的要好。。如果游离铁素体存在,时效强化将相应地改善切削性能。

基于硫化物形成后的游离锰的量可以估计室温下的时效时间。在低温烘烤下时效可能加速

本文基于发表在2012年美国铸造学会第一百一十六次金属铸造会议上的技术论文(12-026),“铸铁的时效与切削性能的关系”。