灰铸铁件加工面麻点状小孔缺陷的分析及防止

.灰铸铁件加工面麻点状小孔缺陷的分析及防止铸件加工面麻点状小孔缺陷的形貌、分布特征和产生原因进行了分析。认为：麻点是由许多尺寸在0.3 mm 以下的小孔组成，多产生在凝固过程中冷速较慢的厚壁部位，主要分布在石墨密集区域，特别是在石墨封闭或半封闭区域；铸件w（C）和w（Si）量偏高，凝固过程中局部冷速过慢，切削用量偏大都有可能引起这种缺陷。提出了预防这种缺陷的四条措施。关键词：麻点状小孔缺陷；石墨剥落；预防措施灰铸铁的切削加工表面时常出现麻点缺陷，肉眼观察为小黑点的缺陷，实际是形态各异的小孔，因而易被误认为是表面缩松或是非金属夹杂物。这种缺陷比较容易出现在HT300 以下的各种牌号铸件，产生部位多在凝固过程中冷速较慢的厚壁部位。1 缺陷的形貌特征1.1 宏观形貌对切削加工后表面存在缺陷的铸件进行解剖，试样的材料牌号为FC300（相当于HT300），化学成分为w（C） 2.72%，w（Si） 2.05%，w（Mn）0.76%，w（P）0.056%，w（S）0.095%。对试样进行打磨抛光后观察，其宏观形貌如图1 所示，表面有大小不等的麻点状小孔。1.2 微观形貌文献1把这种缺陷称为“麻点”，并认为是“切削加工面上存在大量的直径0.2 mm 左右的小孔”。对图1 试样金相观察，这种缺陷是尺寸小于0.3 mm 的小孔，且小孔形状各异，圆孔甚少，尚难以用直径表达；并且尺寸大于0.2 mm 的小孔（图中左侧的小孔）；图3（c）石墨呈近似n 形分布形成的小孔；图3（d）石墨呈形（图左上）和V 形或Y 形（图右下）分布形成的小孔；图3（e）石墨呈竹叶状分布形成的小孔。图3 的共同特征是微区金属被一根或几根片状石墨所包围，成孤岛状或半岛状，在切削力作用下剥落形成小孔；当切削力较大时，切屑崩落，也会超越石墨边界。但相对而言，当微区金属被石墨包围成封闭或半封闭状态时，在切削力作用下，会优先于其他微区的金属剥落而形成小孔。实际情况中不仅存在以上几种小孔，因为灰铸铁在凝固和继续冷却过程中，情况复杂，有很大的随机性，石墨形状和分布也不尽相同。当石墨与所包围的金属呈封闭或半封闭状态时，在切削加工（车、铣、铇、磨）过程中，石墨及其所包围的金属容易剥落，形成相应的小孔，如图4 所示。孔也较多。麻点状小孔缺陷的分布特征如下。（1）缺陷多发生在石墨密集分布的区域，如图2 所示。图2（a）是0.20.3 mm 的小孔；图2（b）是0.10.2 mm 的小孔；图2（c）是0.050.10mm 的小孔。图2（d）是0.05mm 的小孔；图2（e）是长宽比5 的小孔。这些小孔的共同特点是周围片状石墨密集分布，石墨面积率为10%15%，孔的边缘隐约可见片状石墨的痕迹，孔内呈灰色或黑色，并非块状石墨或其他。（2）当石墨呈封闭或半封闭状态时，在切削力作用下，容易形成“麻点”。如当石墨分布呈多角形、C 形、O 形、n 形、形、形、V 形、U 形、竹叶状等形状时都有可能形成与上述形状相吻合的小孔，如图3 所示。图3（a）石墨呈多角形分布形成的小孔；图3（b）石墨呈C 形分布形成的小石墨密布区要比非密布区割裂基体严重，在切削力作用下，容易使石墨及其所包围的金属剥落而形成小孔，如图5 所示。图5（a）为尚未形成小孔的初始态，中心部位有2 处（1 区和2 区）可能出现剥落形成小孔；图5（b）为经第1 次打磨抛光后，1 区石墨上部开始连通；图5（c）为经第2 次打磨抛光后，局部石墨开始剥落；图5（d）为经再次打磨抛光后，1 区石墨连同它所包围的金属剥落，形成小孔。图4（a）石墨呈半封闭状态，石墨及其所包围的金属剥落后形成的小孔；图4（b）石墨呈封闭状，石墨及其所包围的金属剥落后形成；图4（c）是将图4（b）的照片抛光面再经5 次打磨抛光（至少磨去0.15 mm）后的形貌，周围的石墨已经发生了很大变化，但小孔依然存在。2 麻点状小孔缺陷的形成过程为了解这种缺陷的形成原因和找出预防对策，并正确认识亚共晶铸铁中的“块状石墨”，试验对可能出现这种缺陷的微区采用每次微量抛磨的方法，反复进行金相观察来得到麻点的形成过程。2.1 试验方法将图1 所示的试块依次用#600、#900 砂纸打磨，再用粒度2.5 m 的金刚石研磨剂抛光，抛磨机的转速为600 r/min，磨盘直径200 mm，观察试样的金相组织。选择石墨密布区和具有封闭、半封闭状态特征的微区进行观察，记录56个微区；然后再次打磨、抛光，观察各特征点变化，记录石墨所包围的金属的剥落情况。这样就可以观察到石墨及其所包围的微区金属的剥落过程，也就是小孔的形成过程。2.2 试验结果2.2.1 石墨密布区剥落过程基体金属被片状石墨所包围，在切削力作用下，最易剥落形成小孔。图6 显示了受石墨包围的金属的剥落过程。图6（a）为几根石墨呈枣核状分布，石墨内侧稍有剥落，包围着1 区和2 区，尚未形成小孔的初始态；图6（b）为经第1 次打磨抛光后，1 区金属剥落，2区又出现一根石墨，而使2 区金属形成孤岛；图6（c）为经第2 次打磨抛光后，2区金属剥落与1 区金属连成一片，但石墨依然存在；图6（d）、图6（e）为再经2 次打磨抛光后，石墨逐渐剥落，形成一个钝三角形小孔。2.2.3 处于应力集中区金属的剥落过程基体金属未被片状石墨包围，但经打磨抛光仍可能剥落，原因是局部金属处于应力集中区。图7 显示了处于应力集中区的局部金属剥落形成小孔的过程。图7（a）为尚未形成小孔的初始态，照片上有2 个区，1 区和2 区都有可能出现金属剥落，1 区是缺口型，2 区有3 根小石墨露头；图7（b）为经1 次打磨抛光后，2 区金属剥落；图7（c）再次打磨抛光后，小孔面积变小，孔内填充了污物细微切屑、石墨微粉、金刚石微粉和抛织物的混合物。图7 说明小孔的形成过程与该部位的应力集中有关，但也不排除3 根小石墨在抛光面下有一定深度。2.3 常见石墨分布形状的剥落过程常见石墨分布形状有、V 或近似V、月牙形等。2.3.1 石墨呈形分布的剥落过程图8 为石墨呈形分布的剥落过程。图8（a）为未形成小孔的初始态；图8（b）为经1 次打磨抛光后，形包围的金属剥落；图8（c）为经再次打磨抛光后，形变小，孔内有污物。笔者曾对石墨近似四方形分布形状做过试验，结果同上，出现了近似四方形小孔。2.3.2 石墨形分布的剥落过程石墨呈形或近似 形、C 形、 形、 形等分布形状都可能在切削力作用下形成小孔，如图9 所示。图9（a）为未形成小孔的初始态，石墨呈形分布；图9（b）为经1 次打磨抛光后，石墨连同它所包围的金属剥落，形成一个孔，但仍残留少量金属；图9（c）为进一步打磨抛光后小孔形体变小，但仍残留一小块金属。2.3.3 石墨V 形或近似V 形分布剥落过程石墨呈V 形或近似V 形所包围的金属处于半岛状，在切削力作用下，易于同母体分离。图10（a）为尚未剥落的初始态，图中有3 个呈V 形或近似V 形分布的石墨区；图10（b）为经1 次打磨抛光后，近似V 形的3 区金属剥落；图10（c）为再次打磨抛光后，小孔内充满了污物1 区和2区未分离。2.3.4 石墨呈月牙形（或盘状）分布剥落过程图11（a）为未剥落成小孔的初始态，中部石墨很像大C 形，实际上它是由2 根石墨组成的，下部是月牙形；图11（b）为经打磨抛光后，形成一个盘形小孔，另1 根石墨清晰可见。其实石墨呈U 形或抛物线状分布的小孔形成过程也与此相似。图12 为石墨呈U 形或抛物线状分布，在切削力作用下，它所包围的金属即将剥落（已变色），抛物线外局部金属出现了剥落。3 麻点状小孔形成原因分析这种缺陷产生的原因包括内因和外因两方面。内因主要是w（C）和w（Si）量偏高和铸件冷速过慢；外因主要是切削用量偏大、刀具磨损及机床振动等因素。3.1 w（C）和w（Si）量偏高w（C）和w（Si）量偏高，导致石墨粗大，容易出现这种麻点状小孔。日本有些企业把限制这种“麻点”缺陷列为铸件验收依据。某企业的检查规格书中对FC350、FC300、FC250、FC200（FC 相当于中国HT）4 个牌号的“麻点”照片进行排列比较，材料牌号由高到低，“麻点”数量由少到多，面积由小到大。3.2 铸件冷却速度缓慢铸件冷却速度缓慢也是形成这种缺陷的一个重要原因。试验中选用的试样w（C）2.72%、w（Si）2.05%，应当比较适中或是偏低。通过对试样进行分析可知，试样局部石墨粗大且密集分布，珠光体片间距12 mm，表明冷速缓慢，如图1316 所示。图13 金相抛光面上的粗大石墨，3级；图14 局部A 型石墨密集分布，是一种石墨魏氏组织1；图15 为试样的珠光体基体，在放大100 倍下观察可看到局部珠光体的层片状。图16为放大400 倍的显微照片，珠光体片间距12mm，属中等片状。3.3 切削用量偏高切削用量包括切削速度、进刀量、切削深度三要素。这三要素关系到切削过程中切削力的大小。切削速度高、进刀量大、切削深度深，都会使切削力加大，容易使石墨及其所包围的金属剥落。灰铸铁的切屑属粒状切屑和崩碎切屑，当切削用量超出正常规范时，冲击力加大，并伴有振动现象，易形成崩碎切屑，更易出现麻点，甚至连片状石墨边界都可能崩落。文献1在推测麻点原因时认为是切削速度太快、刀具状态不良等原因。刀具如果过度磨损，将改变刀具的几何形状和角度，不仅使切削力加大，摩擦力剧增，并引起振动，恶化加工表面。4 麻点状小孔的预防措施4.1 降低w（C）和w（Si）量C 和Si 都是强石墨化形成元素。降低w（C）和w（Si）量的目的是为了细化石墨。对于同一种牌号的灰铸铁铸件，不同铸件，选择w（C）和w（Si）量应按铸件的大小和不同壁厚分档，这是众所周知的道理。但在实践中有些工厂为了简化操作，执行不到位，所有铸件不分大小和壁厚，用同一炉或同一包铁液浇注，这就很难保证铸件质量，很难确保大件壁厚部位没有麻点状小孔缺陷。4.2 加强孕育处理对一般企业而言，生产HT200 以上牌号的铸件都进行孕育处理，多用FeSi75，但该孕育剂的缺点是抗衰退能力差，1.5 min 内孕育效果达到峰值，810 min 后衰退到原来状态。为了预防衰退应及时浇注，或改用抗衰退能力更强的硅钡孕育剂，孕育效果可维持20 min，如果有条件最好采用随流孕育。4.3 厚大部位放置冷铁用冷铁强化冷却，可有效地细化共晶团和石墨，使组织更加致密，预防麻点状小孔出现。4.4 制订合理的切削加工工艺一般金属切削加工根据铸件加工余量的大小，细分为粗加工、半精加工和精加工，以达到平整的加工表面。为减少或消除麻点状小孔，粗加工、半精加工的切削用量可以大一点，但精加工最后一刀必须谨慎，切削用量要小，刀具状态要好，通过精加工把半精加工产生的微观不平度和麻点去除，并尽可能少地产生新的小孔。如有条件，应把粗加工和精加工的机床分开。1给出的预防措施有：使用高精度机床；降低加工的进给速度；采用孕育处理和设置冷铁等措施，细化石墨；减少C 和Si 的含量；防止碳化物的生成。笔者认为，前4 条都符合生产实际。而第5 条目前尚未发现因碳化物引起的麻点，待以后观察分析。.