灰鑄鐵件加工面麻點狀小孔缺陷的分析及防止

1、灰鑄鐵件加工面麻點狀小孔缺陷的分析及防止鑄件加工面麻點狀小孔缺陷的形貌、分布特征和產(chǎn)生原因進行了分析。認為：麻點 是由許多尺寸在 0.3 mm 以下的小孔組成，多產(chǎn)生在凝固過程中冷速較慢的厚壁部位，主 要分布在石墨密集區(qū)域，特別是在石墨封閉或半封閉區(qū)域；鑄件 w （0和可（Si）量偏高， 凝固過程中局部冷速過慢，切削用量偏大都有可能引起這種缺陷。提出了預防這種缺陷的 四條措施。關(guān)鍵詞：麻點狀小孔缺陷；石墨剝落；預防措施 灰鑄鐵的切削加工表面時常出現(xiàn)麻點缺陷，肉眼觀察為小黑點的缺陷，實際是形態(tài)各 異的小孔，因而易被誤認為是表面縮松或是非金屬夾雜物。 這種缺陷比較容易出現(xiàn)在 HT300 以下的各種

2、牌號鑄件，產(chǎn)生部位多在凝固過程中冷速較慢的厚壁部位。1 缺陷的形貌特征1.1 宏觀形貌對切削加工后表面存在缺陷的鑄件進行解剖，試樣的材料牌號為 FC300 （相當于HT300）， 化學成分為 w（ C） 2.72%， w（ Si） 2.05%， w（ Mn） 0.76%， w（ P） 0.056%， w（ S） 0.095%。 對試樣進行打磨拋光后觀察，其宏觀形貌如圖 1 所示，表面有大小不等的麻點狀小孔。1.2 微觀形貌 文獻1把這種缺陷稱為“麻點”，并認為是“切削加工面上存在大量的直徑0.2 mm 左右的小孔”。對圖 1 試樣金相觀察，這種缺陷是尺寸小于 0.3 mm 的小孔，且小孔形狀各

3、異， 圓孔甚少，尚難以用直徑表達；并且尺寸大于 0.2 mm 的小孔（圖中左側(cè)的小孔）；圖3（c）石墨呈近似n形分布形成的小孔；圖3（ d）石墨呈形 （圖左上）和V形或丫形（圖右下）分布形成的小孔；圖3（e）石墨呈竹葉狀分布形成的小孔。圖 3 的共同特征是微區(qū)金屬被一根或幾根片狀石墨所包圍，成孤島狀或半島狀，在 切削力作用下剝落形成小孔；當切削力較大時，切屑崩落，也會超越石墨邊界。但相對而 言，當微區(qū)金屬被石墨包圍成封閉或半封閉狀態(tài)時，在切削力作用下，會優(yōu)先于其他微區(qū) 的金屬剝落而形成小孔。實際情況中不僅存在以上幾種小孔，因為灰鑄鐵在凝固和繼續(xù)冷 卻過程中，情況復雜，有很大的隨機性，石墨形狀和

4、分布也不盡相同。當石墨與所包圍的 金屬呈封閉或半封閉狀態(tài)時，在切削加工(車、銑、铇、磨)過程中，石墨及其所包圍的 金屬容易剝落，形成相應的小孔，如圖 4 所示。 孔也較多。麻點狀小孔缺陷的分布特征如下。(1)缺陷多發(fā)生在石墨密集分布的區(qū)域，如圖 2所示。圖2 (a)是0.20.3 mm的小孔；圖2 (b)是0.10.2 mm 的小孔；圖 2(c)是0.050.10mm 的小孔。圖 2(d)是w 0.05mm 的 小孔；圖2 (e)是長寬比5的小孔。這些小孔的共同特點是周圍片狀石墨密集分布，石 墨面積率為 10%15%，孔的邊緣隱約可見片狀石墨的痕跡，孔內(nèi)呈灰色或黑色，并非塊狀 石墨或其他。(

5、2)當石墨呈封閉或半封閉狀態(tài)時，在切削力作用下，容易形成“麻點”。如當石墨分布呈多角形、C形、O形、n形、形、形、V形、U形、竹葉狀等形狀時都有可能 形成與上述形狀相吻合的小孔，如圖3所示。圖3 (a)石墨呈多角形分布形成的小孔；圖3(b)石墨呈C形分布形成的小石墨密布區(qū)要比非密布區(qū)割裂基體嚴重，在切削力作用下，容易使石墨及其所包圍的金屬剝落而形成小孔，如圖5所示。圖5 (a)為尚未形成小孔的初始態(tài)，中心部位有2處(1區(qū)和2區(qū))可能出現(xiàn)剝落形成小孔；圖5 (b)為經(jīng)第1次打 磨拋光后，1區(qū)石墨上部開始連通；圖5( c)為經(jīng)第2次打磨拋光后，局部石墨開始剝落； 圖5 (d)為經(jīng)再次打磨拋光后，1

6、區(qū)石墨連同它所包圍的金屬剝落，形成小孔。圖 4 (a) 石墨呈半封閉狀態(tài)，石墨及其所包圍的金屬剝落后形成的小孔；圖4 (b)石墨呈封閉狀，石墨及其所包圍的金屬剝落后形成；圖 4 (c)是將圖4 (b)的照片拋光面再經(jīng)5次打磨拋 光(至少磨去0.15 mm)后的形貌，周圍的石墨已經(jīng)發(fā)生了很大變化，但小孔依然存在2 麻點狀小孔缺陷的形成過程 為了解這種缺陷的形成原因和找出預防對策，并正確認識亞共晶鑄鐵中的“塊狀石墨”， 試驗對可能出現(xiàn)這種缺陷的微區(qū)采用每次微量拋磨的方法，反復進行金相觀察來得到麻點 的形成過程。2.1 試驗方法將圖1所示的試塊依次用#600、#900砂紙打磨，再用粒度2.5 pm的

7、金剛石研磨劑拋光， 拋磨機的轉(zhuǎn)速為600 r/min，磨盤直徑200 mm,觀察試樣的金相組織。選擇石墨密布區(qū)和具 有封閉、半封閉狀態(tài)特征的微區(qū)進行觀察，記錄 56個微區(qū)；然后再次打磨、拋光，觀察 各特征點變化，記錄石墨所包圍的金屬的剝落情況。這樣就可以觀察到石墨及其所包圍的 微區(qū)金屬的剝落過程，也就是小孔的形成過程。2.2 試驗結(jié)果2.2.1 石墨密布區(qū)剝落過程基體金屬被片狀石墨所包圍，在切削力作用下，最易剝落形成小孔。圖 6 顯示了受石墨包圍的金屬的剝落過程。圖6(a)為幾根石墨呈棗核狀分布，石墨內(nèi)側(cè)稍有剝落，包圍著1區(qū) 和2區(qū)，尚未形成小孔的初始態(tài)；圖6 (b)為經(jīng)第1次打磨拋光后，1區(qū)

8、金屬剝落，2區(qū)又 出現(xiàn)一根石墨，而使2區(qū)金屬形成孤島；圖6 (c)為經(jīng)第2次打磨拋光后，2區(qū)金屬剝落與 1區(qū)金屬連成一片，但石墨依然存在；圖6 (d)、圖6 (e)為再經(jīng)2次打磨拋光后，石墨 逐漸剝落，形成一個鈍三角形小孔。細微切屑、處于應力集中區(qū)金屬的剝落過程基體金屬未被片狀石墨包圍， 但經(jīng)打磨拋光仍可能剝 落，原因是局部金屬處于應力集中區(qū)。圖 7 顯示了處于應力集中區(qū)的局部金屬剝落形成小 孔的過程。圖7 (a)為尚未形成小孔的初始態(tài)，照片上有 2個區(qū)，1區(qū)和2區(qū)都有可能出 現(xiàn)金屬剝落，1區(qū)是缺口型，2區(qū)有3根小石墨露頭；圖7 (b)為經(jīng)1次打磨拋光后，2區(qū) 金屬剝落；圖7 (c)再次打磨拋

9、光后，小孔面積變小，孔內(nèi)填充了污物 石墨微粉、金剛石微粉和拋織物的混合物。圖 7 說明小孔的形成過程與該部位的應力集中 有關(guān)，但也不排除 3 根小石墨在拋光面下有一定深度。2.3常見石墨分布形狀的剝落過程常見石墨分布形狀有A、'。、V或近似V、月牙形等。石墨呈形分布的剝落過程圖8為石墨呈形分布的剝落過程。圖8( a)為未形成小 孔的初始態(tài)；圖8( b)為經(jīng)1次打磨拋光后，形包圍的金屬剝落；圖 8( c)為經(jīng)再次打 磨拋光后，形變小，孔內(nèi)有污物。筆者曾對石墨近似四方形分布形狀做過試驗，結(jié)果同 上，出現(xiàn)了近似四方形小孔。石墨形分布的剝落過程石墨呈形或近似0 形、C形、6形、S形等分布形狀都

10、可能 在切削力作用下形成小孔，如圖9所示。圖9(a)為未形成小孔的初始態(tài)，石墨呈形分布； 圖9 (b)為經(jīng)1次打磨拋光后，石墨連同它所包圍的金屬剝落，形成一個孔，但仍殘留少 量金屬；圖9 (c)為進一步打磨拋光后小孔形體變小，但仍殘留一小塊金屬。石墨V形或近似V形分布剝落過程石墨呈V形或近似V形所包圍的金屬處于半島 狀，在切削力作用下，易于同母體分離。圖10 (a)為尚未剝落的初始態(tài)，圖中有3個呈V 形或近似V形分布的石墨區(qū)；圖10(b)為經(jīng)1次打磨拋光后，近似V形的3區(qū)金屬剝落； 圖10 (c)為再次打磨拋光后，小孔內(nèi)充滿了污物1區(qū)和2區(qū)未分離。石墨呈月牙形(或盤狀)分布剝落過程圖11 (a

11、)為未剝落成小孔的初始態(tài)，中部石 墨很像大C形，實際上它是由2根石墨組成的，下部是月牙形；圖11 (b)為經(jīng)打磨拋光 后，形成一個盤形小孔，另 1 根石墨清晰可見。其實石墨呈 U 形或拋物線狀分布的小孔形 成過程也與此相似。圖12為石墨呈U形或拋物線狀分布，在切削力作用下，它所包圍的 金屬即將剝落(已變色)，拋物線外局部金屬出現(xiàn)了剝落。3 麻點狀小孔形成原因分析這種缺陷產(chǎn)生的原因包括內(nèi)因和外因兩方面。內(nèi)因主要是w (C)和w (Si)量偏高和鑄件 冷速過慢；外因主要是切削用量偏大、刀具磨損及機床振動等因素。3.1 w (C)和w (Si)量偏高w (C)和w (SD量偏高，導致石墨粗大，容易出

12、現(xiàn)這種麻點 狀小孔。日本有些企業(yè)把限制這種“麻點”缺陷列為鑄件驗收依據(jù)。某企業(yè)的檢查規(guī)格書 中對 FC350、FC300、FC250、FC200( FC 相當于中國 HT) 4 個牌號的“麻點”照片進行 排列比較，材料牌號由高到低，“麻點”數(shù)量由少到多，面積由小到大。3.2 鑄件冷卻速度緩慢鑄件冷卻速度緩慢也是形成這種缺陷的一個重要原因。試驗中選用 的試樣 w(C) 2.72%、w( Si) 2.05%，應當比較適中或是偏低。通過對試樣進行分析可知， 試樣局部石墨粗大且密集分布，珠光體片間距12 mm，表明冷速緩慢，如圖1316所示。 圖13 金相拋光面上的粗大石墨， 3級；圖14局部A型石墨

13、密集分布，是一種石墨魏氏組織 1;圖15為試樣的珠光體基體， 在放大 100 倍下觀察可看到局部珠光體的層片狀。圖 16為放大 400 倍的顯微照片，珠光體 片間距12mm，屬中等片狀。3.3 切削用量偏高切削用量包括切削速度、進刀量、切削深度三要素。這三要素關(guān)系到切 削過程中切削力的大小。切削速度高、進刀量大、切削深度深，都會使切削力加大，容易 使石墨及其所包圍的金屬剝 落?；诣T鐵的切屑屬粒狀切屑和崩碎切屑，當切削用量超出正常規(guī)范時，沖擊力加大，并 伴有振動現(xiàn)象，易形成崩碎切屑，更易出現(xiàn)麻點，甚至連片狀石墨邊界都可能崩落。文獻 1在推測麻點原因時認為是切削速度太快、刀具狀態(tài)不良等原因。刀具如

14、果過度磨損，將 改變刀具的幾何形狀和角度，不僅使切削力加大，摩擦力劇增，并引起振動，惡化加工表 面。4 麻點狀小孔的預防措施4.1降低w (C)和w(Si)量C和Si都是強石墨化形成元素。降低 w(C)和w(Si)量的目 的是為了細化石墨。對于同一種牌號的灰鑄鐵鑄件，不同鑄件，選擇 w (C)和w (Si)量 應按鑄件的大小和不同壁厚分檔，這是眾所周知的道理。但在實踐中有些工廠為了簡化操 作，執(zhí)行不到位，所有鑄件不分大小和壁厚，用同 一爐或同一包鐵液澆注，這就很難保證鑄件質(zhì)量，很難確保大件壁厚部位沒有麻點狀小孔缺陷。4.2 加強孕育處理對一般企業(yè)而言，生產(chǎn) HT200 以上牌號的鑄件都進行孕育處理，多用FeSi75但該孕育劑的缺點是抗衰退能力差，1.5 min內(nèi)孕育效果達到峰值，810 min后衰退到原來狀態(tài)。為了預防衰退應及時澆注，或改用抗衰退能力更強的硅鋇孕育劑，孕育效果可維持20 min,如果有條件最好采用隨流孕育。4.3 厚大部位放置冷鐵用冷鐵強化冷卻，可有效地細化共晶團和石墨，使組織更加致密， 預防麻點狀小孔出現(xiàn)。4.4 制訂合理的切削加工工藝一般金屬切削加工根據(jù)鑄件加工余量的大小， 細分為粗加工、 半精加工和精加工，以達到平整的加工表面。