研究等温温度和等温时间 对等温淬火球墨铸铁切削性能影响外文翻译资料

 2022-09-22 10:09

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研究等温温度和等温时间

对等温淬火球墨铸铁切削性能影响

摘要

近年来等温淬火球墨铸铁(ADI)由于其高强度、高硬度以及良好的塑性和韧性得到了广泛的应用。高强度和高硬度的ADI引起了许多研究员和工程师考虑这种材料的切削性能。目前进行的一系列实验是为了评估在不同等温温度和等温时间下ADI棒料的切削性能；通过测量实验中的刀具寿命，刀具磨损率，切削力和表面光洁度作为一般标准来研究其切削性能。依据ISO3685: 1993(E)标准，八个不同的ADI组织分别在等温温度为250℃、300℃、350℃、400℃，淬火时间分别为1h和2h，采用单因素法进行切削性能测试。实验中使用的切削刀具涂了一层碳化物，ISO SNMG 120408(K10)夹紧在刀柄CSBNR 2525 M12处。车削操作期间不使用切削液。在刀具使用期间测量切削力、后刀面磨损量和表面粗糙度值并对比不同ADI组织的切削性能。在300℃等温温度时分别等温淬火1h和2h能观察到意想不到的结果。也就是说，硬度值较低的刀具比硬度值更高的刀具似乎磨损的更快。为了研究这种现象的原因，研究人员进行了更多的测试。

关键词︰等温淬火球墨铸铁；切削性能；切削力；刀具寿命

1.绪论

等温淬火球墨铸铁(ADI)具有低成本、设计灵活、良好的切削性能、高质强比、良好的韧性、高耐磨性和高疲劳强度这些优点。近年来等温淬火球墨铸铁由于使用等温淬火工艺，使其具有高强度、高硬度以及良好的延展性和韧性并得到了广泛的应用。

球墨铸铁的等温淬火工艺包括奥氏体化、淬火和在贝氏体区适当的温度时间下的等温转变(回火)。奥氏体化和回火往往在盐浴中进行以避免样品接触到空气或者冷水之后发生表面氧化。

ADI组织的机械性能优于传统的球墨铸铁、铸造铝合金和铸造铁合金。ADI的屈服强度是铸造铝合金的3倍多。此外，ADI的质量只有铝的2.4倍，硬铝的2.3倍。ADI的密度比钢的密度低10%。一个具有代表性的试样所使用的ADI比单位质量的钢少消耗20%，比单位质量的铝少消耗50%[1]。故高强度和高硬度的ADI引起了许多研究员和工程师去考虑这种材料的切削性能。

许多ADI产品的生产需要涉及到等温淬火前的粗加工操作或/和等温淬火后的精加工操作。由于等温淬火处理后ADI可能发生尺寸变化，但技术经济原因又使加工ADI成为必要。例如在部分区域必须满足高精度和最大表面特征，就需要通过加工来去除金属从而获得正确的最终尺寸、消除变形和可能存在的脱碳程。此外，需要精加工去组合包括ADI在内的各种材料制成的组件[1]。

几位研究员已经研究了ADI的力学性能[2-4]但近年来没有得到很大的进展[5，6]。Refaey和Fatahalla[7]研究了ADI和低合金ADI的显微结构、机械性能、断裂韧性、耐磨性之间的关系。Lerner和Kingsbury[8]研究对比了等温淬火球墨铸铁与常用耐磨合金的耐磨性能，并表明ADI的耐磨性能是珠光体球墨铸铁的4倍多，低铅锡青铜的12倍多，干式精车削铝铜的14倍多。Lin等人[9]也研究了分别含合金元素Mn，Cu，Ni和Mo元素对ADI试样显微组织与性能的影响。据研究分析，每个ADI试样的硬度值相差无几，但ADI的冲击强度几乎是铸铁的三倍多。Aranzabal等人[10]研究了热处理对ADI显微组织的影响。Zimba等人[11]研究了硬度和残余奥氏体体积分数对非合金等温淬火球磨铸铁耐磨性的影响。

很明显我们需要相关的ADI加工知识去验证这种材料的潜在应用。虽然可以由球墨铸铁加工手册[12-14]找到一些实际的切削参数值，但是没有太多关于ADI切削性能的参数，然而更准确的来说，文献中确实存在关于影响切削性能的因素。只有在特定情况下富含技术经验的试样才没有达到以下标准[15-17]。Seah和Sharma[4]研究了等温淬火球墨铸铁和镍合金在等温温度340℃、360℃、380℃，等温淬火2h的切削性能。在不同切削条件下的材料去除率和单位功率消耗的基础上进行了切削性能试验。结论是材料的切削性能指数随着等温温度的升高而增加导致硬度大幅度下降。Moncoda等人[18]]研究了在标准测试程序下一些变量对转动ADI的切削性能的影响。实验中他们测量了覆盖面宽的切削加工变量，如切削速度、进给量、切削深度和润滑度。他们发现铸态材料等温温度越高，切削性能越差。Cakir等人[5]研究了等温温度和等温时间对通过使用标准刀具寿命测试程序的转动ADI的切削性能的影响。他们发现等温温度和等温时间都对切削性能有影响。

在适当的等温温度和等温时间可以大幅度提高ADI的机械性能。尤其是在在等温淬火温度为325℃–400℃时。这时的ADI具有高抗拉强度、高韧性和高耐磨性[1]。

以上提到的实验是为了研究ADI棒料在不同的等温温度和等温时间下对切削性能的影响。此外，由于球墨铸铁试样在等温温度300℃时，分别等温淬火1h和2h，会产生出人意料的结果，这在以后的讨论中将对这些组织进行更详细的研究。

2.实验步骤

2.1.材料与方法

在等温淬火加工前需要去除铸造层。金相研究从ADI棒料试样的热处理开始，在转盘中间半径处测量平均硬度值。等温温度和等温时间对样品的影响如表1。每一个温度和每一个时间的影响都在后面都有一个原因与之对应。在同一等温温度分别等温淬火1h和2h时对硬度的变化如图1。

图1 硬度变化

表1

依据等温温度和等温时间形成组别

2.2.切削性能测试

切削性能是工程部件生产中是决定产品经济的重要特性。材料的切削性能取决于三要素：力与功率、低刀具磨损、表面光洁度和完整性高[19]。因此，良好的切削性能需要低功率，低消耗，低刀具磨损值和高表面光洁度。由于这些参数之间的复杂关系，很难建立定量关系来定义材料的切削性能。在实际生产中，刀具寿命和表面完整性通常被认为是影响切削性能的最重要因素。各种ADI组织的切削性能通过对比刀具寿命，刀具磨损率，增强切削力和表面光洁度来评估。

依据ISO 3685标准[20]进行的切削性能试验，涉及到ADI棒料在一个恒定的切削速度(Vc)和切割时间(Tc)时得到具体的刀具后刀面磨损值。由于使用传统的5.5kw车床用于测试，为了得到一个恒定的切削速度，两个在相同等温温度和等温时间，硬度值接近的ADI棒料(表1B组的样品5和样品7)和在相同的等温温度和等温时间下，刀具在达到使用寿命之前，具有精确尺寸(B88mmtimes;320mm)的ADI试样。由于直径和主轴转速是恒定的，所以切削速度也是恒定的。

18个试样(8对ADI和1对球墨铸铁棒料)持续转动。实验过程中切削速度为96.7m/min(这对ADI材料是一个可接受的切削速度[9])，进给速度为0.12mm/r，切削深度为1mm。如(图2)，依据ISO 3685标准，刀具寿命的标准是后刀面平均磨损值(VB B)达到0.33mm。测试时涂层硬质合金刀片ISO SNMG 120408(K10)夹紧在CSBNR 2525 M12刀柄处，转动过程中没有使用切削液。测量切削力、后刀面磨损值和表面粗糙值直到刀具失效，记录不同等温温度和等温时间条件下的ADI组织切削加工切削性能并进行进一步的比较。

图2 刀具磨损值

通过使用Kyowa TD-500三向压电式测力仪测量切削力，Nikon104显微镜测量刀具后刀面磨损值，轮廓仪(Taylor Hobson Talysurf 10)测量工件表面粗糙度。

3.结果与讨论

在车削过程中测量刀具寿命，每45mm测量一次后刀面平均磨损值。如果第一个球墨铸铁棒料的刀具最终没有失效(后刀面平均磨损值低于0.3mm)，那么就把相同组织的第二个棒料用于其余的过程。如前所述，此时需要恒定的切削速度。棒料末端倒角便于工件进入。图3表示各组ADI刀具磨损与切削时间的关系。

工件的硬度与刀具磨损之间存在着明显的相关性。由于磨损类型是磨粒磨损，随着工件硬度增强刀具磨损增大。例如，B组(球墨铸铁在400℃时等温淬火2h)的硬度值比A组(球墨铸铁在400℃时等温淬火1h)和D组(球墨铸铁在350℃等温淬火1h)更高，因此B组刀具磨损的最快。球墨铸铁是使刀具磨损最小的最软的试样(见图3)。

图3 刀具磨损对比

然而，对某些工件和刀具来说这种相关性是无效的，因为硬度和刀具磨损确实存在某种矛盾。例如B组和C组相比，C组磨损更快但是B组硬度更高。E组和F组也是一样的。如图4所示，球墨铸铁在250℃等温淬火后，耐磨损性和切削性能是最差的。无论他们等温淬火多久，他们多硬/软，这两组球墨铸铁组织(G和H)使用寿命都比其他的短。

为了研究上述矛盾的原因，研究人员进行了E组和F组测试(球墨铸铁在300℃时分别等温淬火1h和2h)。选择这两组的原因如下：

两者之间的硬度相差很大(E组硬度值51HRC，F组硬度值40HRC)。

两者之间的磨损性能相差很大(后刀面磨损达到0.3mm时，E组刀具可以使用到450mm，F组可以使用到315mm)。

图4 主轴转速对刀具寿命的影响 图a表示E组 图b表示F组

这些差异是突出等温时间对刀具硬度和切削性能影响的标志。E组和F组使用不同的切削速度来测试刀具寿命，图4描述的结果也验证了这一点。E组和F组都在主轴转速355r/min(切削速度91.4m/min)、主轴转速500r/min(切削速度128.7m/min)下进行了实验。图4a和图4b分别表示切削速度对后刀面磨损的变化。

图5 主轴转速355r/min时刀具寿命的比较

主轴对两组刀具的刀具寿命影响很大。如图5所示，在两个主轴转中，E组(硬度更高)使用寿命更久。图5表示了刀具在主轴转速355r/min时刀具寿命的比较。

力信号是切削过程中高度敏感的信息载体。切削力的变化也表明切削力和耐磨损性相关，切削力的增大，刀具耐磨损性增强。因此，两组实验通过测量切削力来研究ADI组织的切削性能。通过测量切削过程中，每个ADI组的切削用量三要素(切削速度，进给量和切削深度)并在线记录在三向压电式测力上。单独研究切向切削力的作用并比较了切削初始的切向切削力(初始切削力Fs1)和刀具失效时的切向切削力(最终切削力Fs2)的切向切削力。初始切向切削力和最终切向切削力的对比结果如图6。各组按球墨铸铁硬度降低从左到右依次排序。随着硬度的增加，初始切削力增大。

图6 ADI和DI的初始切削力和最终切削力

图6清晰地展现了ADI组织的硬度与初始切削力的大小的相关性。ADI组织的硬度越高，所需的初始切削力就越大。E组的组织硬度最高，初始切削力也最大，B组的组织硬度其次，C组的组织硬度最低，等等。如果我们再次比较这两种在300℃分别等温淬火1h与2h的ADI组织，都与初始切削力相关，E组硬度更高，因此其初始切削力也更高。但是如果我们考虑最终切削力，从初始到结束阶段的切削力都增加，结果就有些出乎意料了。从图6中可以看出，B组的切向切削力增幅最大(i.e.23%)。B组的硬度第二高(见表1)，这使得第二个棒料磨损的最为厉害(见图3)，因此，这次的结果再次验证了这一点。有趣的是，在这个方面F组具有第二高的增幅(18%)。如前所述，F组在所有ADI组中最软，因此切削力的高增幅 (较短的刀具寿命) 的原因需要进一步的研究。

如图4、图5所示，切削条件对刀具寿命有很大影响。在切削性能测试中，F组在切削过程中观察到了切削刃集结边缘的形成。这种形成被认为是使刀具寿命较短的原因。

由于优良的切削性能需要在切削过程后具有良好的表面光洁度与完整性，作为切削性能的下一个标志，首先在卡盘10mm处，每隔80mm就使用轮廓仪(Taylor Hobson Talysurf 10)测量并对比表面粗糙值。图7描述了每组的表面粗糙度值(Ra)。图表的X轴表示到车床卡盘的距离以mm为单位，Y轴表示表面粗糙值(Ra)以mu;m为单位。

切削工件(B88mmtimes;320mm)很重。不论它们在支撑尾座上有多优良的表现，在某些情况下依然会遇到影响表面光洁度的稳定性问题。这意味着表面光洁度变得差不仅仅是因为刀具的磨损，也同样是因为刀具在卡盘移动了，因此在表面光洁度评估中必须考虑到这一点。切向切削力对稳定性的影响如图7所示。

如果比较E组组织(球墨铸铁在300℃时等温淬火1h)和F组组织(球墨铸铁在300℃时等温淬火2h)，尽管F组的刀具磨损最快，但直到刀具失效，F组具有最高的表面光洁度。在所有的ADI试样中H组最柔软，但F组质量最佳。有趣的是在实验中F组的硬度，刀具磨损率与表面光洁度之间的关系。F组很柔软，表面粗糙度最低但腐蚀得最快。

就切削性能而言，A组(球墨铸铁在400℃时等温淬火1h)似乎是其中的最佳选择。A组的刀具寿命更长并且具有第二高的表面光洁度，这与B组(球墨铸铁在400℃时等温淬火2h)和E组的情况不同。E组刀具寿命比B组更长，但其表面光洁度更差。

4.总结

近年来ADI由于其高强度、高硬度以及等温淬火后的良好的塑性和韧性得到了广泛的应用。然而，高强度和高硬度的ADI引起了许多研究员考虑这种材料的切削性能。这里进行的实验是为了研究ADI组织的切削性能，并确定最优切削性时的的最佳等温温度和等温时间。这些实验将会优化ADI组织的工艺信息，从而提高刀具的切削性能并使ADI组件取代传统球墨铸铁、铸造铝合金与锻钢的地位。

以上实验的目的是为

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