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摘 要：研究了在加入了一定量的合金元素Cr的基础上再添加Cu对灰铸铁物理性能、显微组织及切削加工性能的影响。结果表明，在单独添加Cr时，灰铸铁有较好的强度、硬度，但是灰铸铁的组织均匀性较差，在含Cr的基础上添加合金元素Cu可以改善灰铸铁组织的均匀性、断面敏感性，改善灰铸铁的切削加工性能。
关键词：灰铸铁，物理性能，组织形貌，切削加工性能
灰铸铁具有良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度降低，研究表明，为提高灰铸铁的抗拉强度，可以在灰铸铁中添加一定量的合金元素。综合考虑各种合金元素对灰铸铁力学性能的影响和生产成本，可以在灰铸铁中添加价格较低的Cr和Cu进行合金化。Cr可以促进形成及稳定珠光体，是碳化物形成和稳定元素，同时Cr可以使珠光体组织细化，但会明显增大灰铸铁白口倾向及断面敏感性[1]。Cu是促进石墨化的元素，能促进石墨析出，在铸铁中增加铁素体量，并改善组织敏感性，提高灰铸铁的强度、硬度[2]。本文通过在铸铁中复合加入一定量的Cr元素及不同含量的Cu元素，从抗拉强度、布氏硬度等方面研究了合金元素Cu对灰铸铁组织性能的影响。
1.试验条件与方法
试验采用呋喃树脂砂造型，铬以铬铁的形式加入炉内，Cu以纯铜的形式加入包内，出炉温度1480度，浇注温度1400度左右。
试验采用同一炉铁液浇注4组试样，各组加入Cr的含量均为0.2%。Cu含量分别为0.0%、0.1%、0.2%、0.3%。每组试样分别浇注试棒4根，阶梯试块1个（如图1）。试棒可分别加工为拉伸试样、硬度试样及金相分析试样。
采用Thermo ARL3460分析试样化学成分，采用CA6140A卧式机床评价试样的切削性能，采用WE-600液压式万能试验机测试试样抗拉强度，采用TH604数显布氏硬度计测试试样布氏硬度（压头采用直径为φ10mm的硬质合金球，试验力为3000kg，保载15s），采用Leica DM3000I分析显微组织与石墨形态。
2.试验结果与分析
2.1Cu对灰铸铁切削加工性能的影响
灰铸铁的切削加工性能可以通过分析试样的切削力来进行衡量[3]，试验时，用QB-07型双平行八角测力仪配合动态信号测试仪分析仪进行信号转换与采集，机加工进行切削时将车削中受到的力F分解为三个分力：主切削力Fz-是F在沿切削速度方向上的分力，又称为切向力。进给力Fx-是F在进给运动方向上的分力，外圆车削中又叫轴向，切深抗力Fy-是F在切深方向上的分力，外圆车削中又叫径向力。在车床上进行切削，转速为160r/min，进给量为0.294mm/r，改变切削深度为3.5mm，3mm，2.5mm，2mm时，比较主切削力、进给抗力和切深抗力的大小。本试验车刀选用机加工车刀，刀片为同一厂家生产的同一批次产品的硬质合金刀片。试验前对试验装置进行标定，确定切削力与电信号直接的关系曲线，本试验通过向切削时刀头受力的z、x方向使用砝码加载实现切削力的标定，用应变仪测量在一定加载下应变的大小；y向则用螺纹加载的方法对测力环加力，找到应变与加载的线性关系如下：
X向（平行于车床主轴方向） y=40.30x-38.24
Y向（水平面內垂直于车床主轴方向） y=51.07-33.43
Z向（铅垂方向） y=109.46x-7.82
式中y代表刀头所受到的力，x代表八角环的应变。记录好试验数据，计算本试验试样切削合力变化如表2所示。
试样1切削力明显大于其他试样，说明加入Cu可以改善试样的切削加工性能；表2可以看出试样3的切削力最小，且含量较低的Cu含量具有较好地切削加工性能，随着Cu含量的增加，其切削加工性能变差。
2.2 Cu对灰铸铁物理性能的影响
用试验机及不是硬度计测得的抗拉强度及布氏硬度如表3所示，由表3可以看出，随着Cu含量为0.0%-0.2%时，灰铸铁抗拉强度未明显升高，当含量达到0.3%时，其抗拉强度反而降低。当不加入Cu时，试样布氏硬度极差明显大于其他加入Cu的试样。
由表3可以看出，Cu的加入可以明显降低试样硬度的差值，因为Cr的合金化效果非常强烈，Cr的加入使铁水白口化倾向增大，使组织的均匀性变差，增大断面的敏感性。Cu的加入减少了白口化的倾向，使组织有较好地均匀性，所以布氏硬度差值较小。
2.3金相显微组织观察
金相试样用4道水砂纸进行细磨，再用金刚石喷雾抛光剂研磨抛光，用金相显微镜对抛光后的试样进行石墨形态分析，发现试样1石墨形态为A型，石墨长度较长；试样2、3的石墨形态也为A型，石墨数量较多，石墨长度较短，分布较均匀；试样4的石墨形态为A+D型石墨，同时也有少量块状石墨，由试样1与试样2的对比可以看出，Cu的加入有利于石墨形态及分布的均匀化，而随着Cu含量的增加，石墨形态由A型转变为A+D型，由于D型石墨铸铁和A型石墨铸铁有着不同的强化机理，D、A型混合组织既不满足D型强化机理的要求，又不满足A型强化机理的要求，所以具有这种组织的铸件其强度将要下降[4]。
研究表明[5]，铸铁的性能除了与石墨形态有关外，主要与珠光体的数量和形态有关。将抛光后的试样用4%硝酸酒精进行腐蚀可以看出，4组试样基体组织均为珠光体，含量均大于90%，前3组试样珠光体片间距差别不大，第4组试样珠光体片间距明显大于前3组试样，珠光体片间距越大，对裂纹扩展的阻碍作用越不明显，所以其力学性能越差。
3.结论
（1）合金元素Cr单独添加时，灰铸铁具有较好的抗拉强度、布氏硬度，但是组织均匀性较差，同时灰铸铁的切削力较高，切削性能较差。
（2）在量Cu含量为0.2%时，灰铸铁的抗拉强度、布氏硬度等不会明显降低，但是可以使灰铸铁达到最佳的组织均匀性与切削加工性能，使灰铸铁保持较好的石墨形态；加入较高含量的Cu时，会使珠光体片间距增大，虽然可以保证切削性能，但无法保证灰铸铁的强度及硬度。
参考文献：
[1]郝石坚. 现代铸铁学，北京：冶金工业出版社.2004.（6）：157-286.
[2]黄胜操.任凤章.等. 合金元素Cr对灰铸铁组织性能的影响[J].铸造技术，2013.34（4）：406-408.
[3]杨广勇.金属切削原理与刀具 M.北京：北京理工大学出版社，1993.
[4]徐忠华.裘国仁.蒋百灵.关世俊.D型石墨含量对灰铸铁强度的影响.铸造技术.1986（1）.
[5]王春祺.铸铁孕育与实践[M].天津：天津大学出版社，1991.
关键词：灰铸铁，物理性能，组织形貌，切削加工性能
灰铸铁具有良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度降低，研究表明，为提高灰铸铁的抗拉强度，可以在灰铸铁中添加一定量的合金元素。综合考虑各种合金元素对灰铸铁力学性能的影响和生产成本，可以在灰铸铁中添加价格较低的Cr和Cu进行合金化。Cr可以促进形成及稳定珠光体，是碳化物形成和稳定元素，同时Cr可以使珠光体组织细化，但会明显增大灰铸铁白口倾向及断面敏感性[1]。Cu是促进石墨化的元素，能促进石墨析出，在铸铁中增加铁素体量，并改善组织敏感性，提高灰铸铁的强度、硬度[2]。本文通过在铸铁中复合加入一定量的Cr元素及不同含量的Cu元素，从抗拉强度、布氏硬度等方面研究了合金元素Cu对灰铸铁组织性能的影响。
1.试验条件与方法
试验采用呋喃树脂砂造型，铬以铬铁的形式加入炉内，Cu以纯铜的形式加入包内，出炉温度1480度，浇注温度1400度左右。
试验采用同一炉铁液浇注4组试样，各组加入Cr的含量均为0.2%。Cu含量分别为0.0%、0.1%、0.2%、0.3%。每组试样分别浇注试棒4根，阶梯试块1个（如图1）。试棒可分别加工为拉伸试样、硬度试样及金相分析试样。
采用Thermo ARL3460分析试样化学成分，采用CA6140A卧式机床评价试样的切削性能，采用WE-600液压式万能试验机测试试样抗拉强度，采用TH604数显布氏硬度计测试试样布氏硬度（压头采用直径为φ10mm的硬质合金球，试验力为3000kg，保载15s），采用Leica DM3000I分析显微组织与石墨形态。
2.试验结果与分析
2.1Cu对灰铸铁切削加工性能的影响
灰铸铁的切削加工性能可以通过分析试样的切削力来进行衡量[3]，试验时，用QB-07型双平行八角测力仪配合动态信号测试仪分析仪进行信号转换与采集，机加工进行切削时将车削中受到的力F分解为三个分力：主切削力Fz-是F在沿切削速度方向上的分力，又称为切向力。进给力Fx-是F在进给运动方向上的分力，外圆车削中又叫轴向，切深抗力Fy-是F在切深方向上的分力，外圆车削中又叫径向力。在车床上进行切削，转速为160r/min，进给量为0.294mm/r，改变切削深度为3.5mm，3mm，2.5mm，2mm时，比较主切削力、进给抗力和切深抗力的大小。本试验车刀选用机加工车刀，刀片为同一厂家生产的同一批次产品的硬质合金刀片。试验前对试验装置进行标定，确定切削力与电信号直接的关系曲线，本试验通过向切削时刀头受力的z、x方向使用砝码加载实现切削力的标定，用应变仪测量在一定加载下应变的大小；y向则用螺纹加载的方法对测力环加力，找到应变与加载的线性关系如下：
X向（平行于车床主轴方向） y=40.30x-38.24
Y向（水平面內垂直于车床主轴方向） y=51.07-33.43
Z向（铅垂方向） y=109.46x-7.82
式中y代表刀头所受到的力，x代表八角环的应变。记录好试验数据，计算本试验试样切削合力变化如表2所示。
试样1切削力明显大于其他试样，说明加入Cu可以改善试样的切削加工性能；表2可以看出试样3的切削力最小，且含量较低的Cu含量具有较好地切削加工性能，随着Cu含量的增加，其切削加工性能变差。
2.2 Cu对灰铸铁物理性能的影响
用试验机及不是硬度计测得的抗拉强度及布氏硬度如表3所示，由表3可以看出，随着Cu含量为0.0%-0.2%时，灰铸铁抗拉强度未明显升高，当含量达到0.3%时，其抗拉强度反而降低。当不加入Cu时，试样布氏硬度极差明显大于其他加入Cu的试样。
由表3可以看出，Cu的加入可以明显降低试样硬度的差值，因为Cr的合金化效果非常强烈，Cr的加入使铁水白口化倾向增大，使组织的均匀性变差，增大断面的敏感性。Cu的加入减少了白口化的倾向，使组织有较好地均匀性，所以布氏硬度差值较小。
2.3金相显微组织观察
金相试样用4道水砂纸进行细磨，再用金刚石喷雾抛光剂研磨抛光，用金相显微镜对抛光后的试样进行石墨形态分析，发现试样1石墨形态为A型，石墨长度较长；试样2、3的石墨形态也为A型，石墨数量较多，石墨长度较短，分布较均匀；试样4的石墨形态为A+D型石墨，同时也有少量块状石墨，由试样1与试样2的对比可以看出，Cu的加入有利于石墨形态及分布的均匀化，而随着Cu含量的增加，石墨形态由A型转变为A+D型，由于D型石墨铸铁和A型石墨铸铁有着不同的强化机理，D、A型混合组织既不满足D型强化机理的要求，又不满足A型强化机理的要求，所以具有这种组织的铸件其强度将要下降[4]。
研究表明[5]，铸铁的性能除了与石墨形态有关外，主要与珠光体的数量和形态有关。将抛光后的试样用4%硝酸酒精进行腐蚀可以看出，4组试样基体组织均为珠光体，含量均大于90%，前3组试样珠光体片间距差别不大，第4组试样珠光体片间距明显大于前3组试样，珠光体片间距越大，对裂纹扩展的阻碍作用越不明显，所以其力学性能越差。
3.结论
（1）合金元素Cr单独添加时，灰铸铁具有较好的抗拉强度、布氏硬度，但是组织均匀性较差，同时灰铸铁的切削力较高，切削性能较差。
（2）在量Cu含量为0.2%时，灰铸铁的抗拉强度、布氏硬度等不会明显降低，但是可以使灰铸铁达到最佳的组织均匀性与切削加工性能，使灰铸铁保持较好的石墨形态；加入较高含量的Cu时，会使珠光体片间距增大，虽然可以保证切削性能，但无法保证灰铸铁的强度及硬度。
参考文献：
[1]郝石坚. 现代铸铁学，北京：冶金工业出版社.2004.（6）：157-286.
[2]黄胜操.任凤章.等. 合金元素Cr对灰铸铁组织性能的影响[J].铸造技术，2013.34（4）：406-408.
[3]杨广勇.金属切削原理与刀具 M.北京：北京理工大学出版社，1993.
[4]徐忠华.裘国仁.蒋百灵.关世俊.D型石墨含量对灰铸铁强度的影响.铸造技术.1986（1）.
[5]王春祺.铸铁孕育与实践[M].天津：天津大学出版社，1991.