球墨鑄鐵的加工探討

1、球墨鑄鐵的加工探討(2007-06-10 17:00:27) 轉載 近年來，最終用戶的需求的不斷進步使制造業(yè)的工件材料產生明顯進展。例如，汽車和卡車更高的燃油效率的需求導致分量輕強度高如高強度鋼和球墨鑄鐵等材料的使用增加。飛機發(fā)動機更高燃油效率和更安靜的需求刺激純度、高溫強度和韌性更高的高溫合金的發(fā)展。雖然勉強符合最終用戶的需要，但這樣的進展有使工件材料更難加工的傾向。就是這個原因，正趨勢刀具界進行研究和發(fā)展，尤其是車削刀片領域。斷屑槽、涂層還有基體化學成分對于刀具性能扮演重要角色。例如，車削刀具涂層技術的進展已經使球墨鑄鐵和最新的航空高溫合金能有效加工。 高硬度MTCVD涂層改善球墨鑄鐵的加

2、工 球墨鑄鐵已成為發(fā)動機零件和其它汽車、農用設備和機床工業(yè)上的零件的日益見的材料。這種合金提供較低的生產成本和良好的機械性能的組合。他們比鋼材便宜，而比鑄鐵有更高的強度和韌性。 但同時球墨鑄鐵非常耐磨，有快速磨壞刀具材料的傾向。這種耐磨性很大程度上受珠光體含量影響。某一已知球墨鑄鐵的珠光體含量越高，它的耐磨性越好而且它的可加工性越差。 可以預計，高硬度和高耐磨的切削材質需考慮球墨鑄鐵的高耐磨性。并且事實上材質包含極硬的TiC(碳化鈦)或TiCN（碳氮化鈦）的厚涂層在切削速度每分鐘300米時加工球墨鑄鐵被證明通常是有效的。但是隨著切削速度的增加，切屑/刀具結合面的溫度也在增加。當發(fā)生這樣的情況，

3、TiC涂層傾向于和鐵發(fā)生化學反應并軟化，更多的壓力作用在抗月牙洼磨損的涂層上。在這些條件下，希望有一種化學穩(wěn)定性更好的涂層，如Al2O3（雖然在較低的速度下不如TiC硬或耐磨）。 化學穩(wěn)定性比耐磨性更成為一個重要的表現(xiàn)性能分界的確切速度和溫度取決于被加工球墨鑄鐵的晶粒結構和性能。但是通常厚涂層的TiC或TiCN和僅有氧化物的較薄涂層是針對球墨鑄鐵應用的，因為今天大部分這類被加工材料的切削速度在每分鐘150到335米之間。對于速度高于每分鐘300米的應用，人們對這種材料是滿意的。 為了使這個范圍性能最優(yōu)，山高研發(fā)和推出了針對球墨鑄鐵加工的材質TX150。這種材質有一個硬且抗變形的基體，對于加工球

4、墨鑄鐵很理想。它的涂層由一層較厚的很耐磨的碳氮化鈦和一層較薄的抗月牙洼磨損的氧化物涂層，頂面是一薄層TiN。這種涂層運用目前工藝水平的產生耐磨性和抗月牙洼磨損需要的CVD涂層的全部硬度而且韌性平滑性增加的中溫化學氣相沉積（MTCVD）工藝。基體/涂層的組合性能給予很高的抗塑性變形和刃口微崩能力，使之成為正常速度下加工球墨鑄鐵的理想材質。 涂層陶瓷也表現(xiàn)出能有效加工球墨鑄鐵。在過去，未涂層的韌性較好的諸如氮化硅和碳化硅纖維強化的氧化鋁陶瓷應用受工件材料化學親和性的限制。但是今天通過使用能抵抗切屑變形過程產生高熱量的涂層刀具壽命已經顯著增加。而某些早期這個領域的工件加工使用氧化鋁涂層晶須強化陶瓷，

5、今天的多數(shù)研究活動集中于TiN涂層氮化硅。這種涂層能顯著拓寬韌性較好的陶瓷的應用范圍。 高溫合金 雖然涂層的發(fā)展已在黑色材料應用里產生最多戲劇性的生產率提高，也在高溫合金和鈦合金加工中取得改善。細顆粒硬質合金和PVD涂層的發(fā)展，以及怎樣運用陶瓷和CBN切削材料的知識增加都對更高的金屬切除率和提高表面光潔度作出貢獻。 這些進展對汽輪機應用所需的在高溫保持其強度的合金的高效加工特別有用。這種超級合金用能保持清潔而且韌性也更好的很復雜的方法來處理和生產。結果，超級合金能使用的平均溫度以每年華氏16度的速率增加，而且沒有跡象顯示這種趨勢將會改變。但是它的每一次發(fā)展將對可加工性造成負面影響。 隨著超級合

6、金高溫強度的增加，作用在刀片切削刃上的力也在增加。結果，曾經能很滿意地加工很多鈦合金和鎳基合金的硬質合金材質C-2在應用到當今的合金時遭受切削刃的壓碎和切削深度線處嚴重的溝槽磨損。但是用最新的細顆粒硬質合金能有效加工超級合金，刀具壽命得到提高，更重要的是提高在高溫合金應用時的可靠性。細顆粒硬質合金有比傳統(tǒng)硬質合金材質更高的壓縮強度和硬度，只是在韌性方面增加少量的成本。而結果是在高溫合金加工上比傳統(tǒng)硬質合金抵抗常見失效模式更有效。 PVD（物理氣相沉積）涂層也被證明有效加工高溫合金。TiN（氮化鈦）PVD涂層是最早使用的并仍然是最受歡迎的。最近，TiAlN（氮鋁化鈦）和TiCN（碳氮化鈦）涂層也

7、能很好使用。TiAlN涂層應用范圍和TiN相比它的限制更多。但是當切削速度提高后它們是一個很好的選擇，在那些應用提高生產率達40%。另一方面，在較低的切削速度下取決于涂層的表面工況TiAlN會導致積屑瘤、隨后的微崩和溝槽磨損。TiCN比其它兩種涂層都硬，尤其在銑削時獲得更好的刀具壽命。 近來，用于高溫合金應用的材質已經發(fā)展了，這些涂層由幾層組合而成。大量的實驗室和現(xiàn)場測試已經論證了這種組合和其它任何一種單一涂層相比在很寬范圍的應用時很有效。因此針對高溫合金應用的PVD復合涂層可能成為硬質合金新材質研發(fā)持續(xù)的焦點。和MTCVD涂層、涂層陶瓷集合在一起，它們有望成為更有效加工正在研發(fā)的新的更難加工

8、工件材料的主要沖擊力量。提高鑄鐵車削加工效率與穩(wěn)定性發(fā)布:2011-08-23 | 作者: | 來源: xuwenhua | 查看:455次 | 用戶關注：a)普通鑄鐵的組織b)球墨鑄鐵的組織圖1普通鑄鐵與球墨鑄鐵的組織鑄鐵：龜裂崩碎型切屑圖2崩碎型切屑圖3球墨鑄鐵的切屑圖4全黑UC5105與UC5115刀片與涂層結構a)全黑超平滑涂層b)一般CVD涂層圖5全黑超平滑涂層與一般CVD涂層表面粗糙度比較圖6切削鑄鐵刀具材料與斷屑槽選擇鑄鐵一般分普通鑄鐵與球墨鑄鐵。普通鑄鐵亦稱灰口鑄鐵，其組織中含片狀石磨(圖1a)石墨是固體潤滑劑，有自潤滑作用，故自身耐磨性很好，機床的床身，發(fā)動機的缸體等a)普通

9、鑄鐵的組織b)球墨鑄鐵的組織圖1 普通鑄鐵與球墨鑄鐵的組織鑄鐵：龜裂崩碎型切屑圖2 崩碎型切屑圖3 球墨鑄鐵的切屑圖4 全黑UC5105與UC5115刀片與涂層結構a)全黑超平滑涂層b)一般CVD涂層圖5 全黑超平滑涂層與一般CVD涂層表面粗糙度比較圖6 切削鑄鐵刀具材料與斷屑槽選擇鑄鐵一般分普通鑄鐵與球墨鑄鐵。普通鑄鐵亦稱灰口鑄鐵，其組織中含片狀石磨(圖1a)石墨是固體潤滑劑，有自潤滑作用，故自身耐磨性很好，機床的床身，發(fā)動機的缸體等重要零件常用之，但片狀石哪是易剝落的脆性結晶，不耐沖擊，其切屑不能連續(xù)伸長，形成崩碎型切屑(圖2)造成切削力不斷波動，在切削過程中產生高頻振動鑄件表面的粗糙與不

10、平，切削時使刀具產生機械磨損。切屑粘接(Adhesion) ，熔接(Welding)在刀具表面切削中也會由此造成磨損及缺損(Chipping)破損(Broken)。 球墨鑄鐵指組織中的石墨經特殊處理形成球墨狀的鑄鐵(圖1b)從而使性能大為增強，其抗拉伸強度甚至可達900MPa。它有一定的延伸率，故切屑可能呈連續(xù)帶狀(圖3)。刀具前刀面磨損會增大，由于含有石墨組織，切削力乃有波動。當其基體組織為珠光體時，因硬度高刀具破損較大，當其組織為鐵素體時則切屑易粘結熔結在刀具上。 各刀具大制造商為高效加工鑄鐵零件都在不斷努力環(huán)發(fā)新的刀具材料、涂層與更好的幾何形狀結構的刀具。三菱公司新開發(fā)了針對各類鑄鐵零件

11、加工的全黑，超平滑優(yōu)質涂層UC5105與UC5115令人矚目(圖4)。這二類刀片在汽車制造業(yè)，壓縮機制造業(yè)等許多行業(yè)中取得很大成就。 圖4為UC5105與UC5115的涂層組織。這種組織特點是： 1. 耐磨性高，其原因在于采用厚膜微拉Al2O3與纖維狀做粒TiCN涂層，這比原有的CVD涂層耐磨性提高很多。 2. 耐缺損、耐破損性高，缺損或稱缺口，微崩。破損，俗稱崩刃，它是硬質合金等燒結硬脆刀具材料的一種特有損傷形式。它是在承受力的沖擊或熱應力急劇變化所形成熱沖擊時，引起的脆性損傷，也可能是因切屑粘接熔接在刀具上而造成，一般的粘結、熔結磨損是金屬零件磨損原因之一。對于硬脆的燒結刀具材料來說，更主

12、要的是如果在刀具表面上有牢固粘接(Adhesion) 熔接(Wolding )的切屑或積屑瘤，它們在被后續(xù)加工沖擊后，強行使它與刀具表面分離，在分離的同時使刀具表面或刃口上部分材料也一齊帶走，這稱粘接熔接缺損與破損。UC5105與UC5115除涂敷堅硬耐磨的抗粘接熔接的優(yōu)質Al2O3層外，還采取特殊的平滑涂層(Even Coating)方法使表面平滑度大幅度提高，從面使抗粘接熔接性能進步提高，粘結與熔結物的減少，這方面造成的換傷也大大減少了。圖5為超級平淆涂層與一般涂層的表面粗糙度比較，這種涂層材料所加工零件表面質量也可改善。 3. 改善硬質合基底材料性能，UC5105采用高硬度基體材料適應高

13、速連續(xù)切削鑄鐵。UC5115采用特別強韌的基體材料適應斷續(xù)切削，在不明切削條件的情況下UC5115是首選材料。圖6中，紅圓代表連續(xù)切削，帶四缺口紅圓表斷續(xù)切削、帶一個缺口紅圓表一般切削。 圖6中縱座標表示切深。S表輕切削(ap=0.51.5mm)，M表中切削(ap=1.54.4mm) ，G表準重切削(ap=47mm)，橫座標表進給量。圖中齊橢圓上方是推薦的斷屑槽如MA，全周，平頂(即無斷屑槽)等，下方表推薦的刀具材料。UC5105、UC5115與ISO硬質合金標準對照與推薦切削條件如圖7。UC5105是要求車削加工時，耐磨性高時選用的刀片材料UC5115是車削加工時，同時要求耐磨性與韌性均好，

14、二種性能能做到平衡時，應選用的刀片。表中可知UC5115也能切削碳鋼，合金鋼。圖8是此二種材料，應用實例。當精加工用比輕切削更低的切削用量時可用金屬陶瓷NX2525 ，帶鋒利磨制出斷屑槽R/L-F的刀片去加工。20世紀50年代開始許多研究所，公司那懷著一種理想想創(chuàng)制一種新型的鑄鐵，它的強度、硬度比普通鑄鐵高，它的可鑄性，熱傳導性，可加工性比球多鑄鐵更一些，這類鑄鐵的石墨結構呈蠕蟲狀，稱蠕墨鑄鐵又簡稱CGI。 蠕墨鑄鐵顯微結構中的石墨形成了三維的蠕蟲狀粒子這種結構在掃描電子顯微鏡(SEM)下看起來象珊瑚。其石墨形態(tài)再加上圓形邊緣不規(guī)則表面，使石墨與基體間具有很大的結合力限止了裂紋生成與發(fā)展，故其

15、抗拉強度可比普通鑄鐵高75%，硬度高45% ，在高溫條件下其耐疲勞強度比鋁高5倍。由于蠕墨鑄鐵的優(yōu)異的綜合性能，為需承受高機械與熱負荷的復余零件提供了應用場所，目前它已在柴油發(fā)動機和氣缸蓋等多方面用得越來越廣，因為它可以承受更高的燃燒壓力。當氣缸中壓力增大，燃燒過程就變得更潔凈，二氧化碳、微粒，氧化氮等廢氣、污染物質的排放就大大降低，其環(huán)保愈義很大。 圖7 二種刀片材料適用范圍與推薦的切削條件蠕墨鑄鐵至今尚未與普通鑄鐵、球墨鑄鐵一樣被標準化，因此切削加工時，由于蠕墨化狀況，部分石墨球化率、珠光體量的不同，被切削性能可能差異很大，加工它時一般最重要延選擇切削速度，通常大致選普通鑄鐵與球墨鑄鐵之間而更接近于