微觀組織形貌對過共晶Al-18Si%合金切削加工性能的影響

于慶東，顧恒恒，水 麗

(沈陽理工大學 1.工程實踐中心；2.機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

微觀組織形貌對過共晶Al-18Si%合金切削加工性能的影響

于慶東1，顧恒恒2，水 麗2

(沈陽理工大學 1.工程實踐中心；2.機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

研究過共晶Al-18Si%合金微觀組織結構對其切削加工性能的影響，使用硬質合金刀具，在切削速度1000m/min下對化學成分相同但微觀組織結構不同的Al-18Si%合金進行銑削加工實驗。結果表明：經(jīng)細化變質處理后，切削力幅值信號強度明顯低于未細化材料，刀具使用壽命顯著提高，加工過程相對平穩(wěn)。未細化處理材料中粗大、形貌不規(guī)則的硬質初晶硅顆粒易導致刀具發(fā)生崩刃、剝落和粘著磨損等形式；具有細小、彌散而分布均勻的初晶硅合金表現(xiàn)出較好的切削性能。

Al-Si合金；微觀組織；切削性能；切削力；刀具磨損

過共晶鋁硅合金的常溫組織是初晶硅和共晶硅組織。過共晶鋁硅合金具有強度高、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，一些發(fā)達國家已大量采用這類合金制造發(fā)動機活塞，在航空領域和汽車行業(yè)也有廣泛應用[1-2]。

近年來，過共晶鋁硅合金在國內(nèi)也開始應用于航空航天、汽車、光學儀器等領域[3-4]。但由于合金中含有大量的硬質初晶硅，難于切削加工。硬質初晶硅加工的難易程度受微觀組織結構、刀具種類及切削參數(shù)等多因素的影響[5-8]，其中數(shù)量和形態(tài)分布是決定合金切削性能的關鍵因素。隨著硬質初晶硅含量的增加，其切削性能趨于惡化，這是由于隨著硅含量的增加，合金中出現(xiàn)了尺寸粗大、形態(tài)各異的初晶硅，嚴重割裂了基體，影響了合金的切削性能，限制了硅鋁合金的使用。目前低硅鋁合金的切削性能已基本得到解決，而Si含量大于16%的硅鋁合金對刀具磨損嚴重，難于切削，表面粗糙度和加工精度不易達標，加工成本高，應用較少。此類合金在應用之前需進行變質處理，改善硅鋁合金的加工性能[9]。此外，相同化學成分在同一熱處理狀態(tài)下的過共晶合金也常會出現(xiàn)切削加工難易程度相差很大的現(xiàn)象，為研究產(chǎn)生上述現(xiàn)象的內(nèi)在原因，本文選擇過共晶Al-18Si%合金為試驗材料，對其進行銑削實驗，研究過共晶鋁硅合金組織形貌，尤其是初晶硅的形態(tài)對其切削加工性能的影響。

1 實驗條件

制備A、B兩組合金作為測試材料，合金的化學成分如表1所示。兩組合金的化學成分相同，但B組合金經(jīng)TiB2中間合金細化處理，兩組合金金相組織照片如圖1所示。試樣A為良好共晶基體上均勻分布著呈板條狀或尖角狀、大小約為100μm、形狀不規(guī)則的初晶硅；材料B經(jīng)過變質細化處理，組織為針狀共晶硅的基體上分布著大小約為50μm，細小、規(guī)則的初晶硅。實測材料A的硬度為70HB，材料B的硬度為90HB。刀具采用山特維克2齒鎢鈷類硬質合金立銑刀，半徑R=30mm，螺旋角β=35°，在X5036B萬能銑床上干切削順銑方式。銑削速度v=1000m/min，每齒進給量f=0.5mm/z，徑向切深ae=2mm，軸向切深ap=3mm。

表1 試驗合金的化學成分 wt%

(b)B組合金

2 試驗結果與討論

2.1 刀具磨損

圖2為刀具切削A、B樣品時，后刀面的磨損寬度隨切削時間的變化情況。有圖2可以看出，銑削A組材料的刀具使用壽命顯著高于銑削B組材料的刀具使用壽命。這是因為，A組材料未經(jīng)過細化處理，基體強度不均勻，硬質初晶硅形態(tài)不規(guī)則，分布亦不均勻，大多呈現(xiàn)多邊尖角形態(tài)。從圖1a中可以看出，局部大顆粒初晶硅被一圈白色α-Al組織包圍，由于在凝固結晶過程中，先析出的大顆粒初晶硅吸收了液體中的高濃度Si元素，造成其周邊區(qū)域貧Si，因此在初晶硅周邊析出α-Al組織，α-Al的富集使微觀區(qū)域硬度降低，塑性升高，切削變形時，硬質初晶硅易于在周邊塑性較高的基體組織中發(fā)生轉動而從基體中剝離出來，亦或破碎或折斷，刀具的磨損主要表現(xiàn)為磨粒磨損或粘結磨損。此外，由于基體硬度不均勻、軟硬交替、基體撕裂、銑削時切削溫度較高等因素，易于出現(xiàn)積屑瘤，增加表面粗糙度。圖1b中，硬質初晶硅細小均勻呈彌散分布，其中共晶硅組織的形態(tài)與A試樣明顯不同，共晶中的硅相呈細小的棒狀，沒有觀察到Si元素濃度較低的α-Al低硬度區(qū)域，材料硬度比較均勻無起伏，基體強度與初晶硅顆粒的強度差值較小，切削變形時初晶硅顆粒不易發(fā)生轉動，易于破碎，對刀具的磨粒磨損和沖擊作用加劇，使切削振動加劇，在切削振動和較高切削溫度共同影響下，刀具發(fā)生顯著的崩刃、剝落和表面裂痕紋等磨損。

圖2 切削A、B試樣刀具磨損情況對比

2.2 加工表面質量

圖3為刀具磨損程度與加工表面粗糙度的變化情況。

(a)表面粗糙度隨刀具磨損量的變化曲線

(b)輪廓高度Rz隨刀具磨損量的變化曲線

由圖3可以看出，雖然硬質合金刀具銑削加工A材料時，刀具磨損率低于切削B材料，但A材料銑削表面Ra/Rz卻高于B材料表面Ra/Rz，這是由于硬質初晶硅顆粒的剝落方式和伴隨發(fā)生的顆粒破碎產(chǎn)生的各種加工缺陷，造成過共晶Al-18Si%合金材料加工表面粗糙。B材料基體硬度相對較高，初晶硅顆粒不易轉動，難以協(xié)調(diào)其與臨近基體材料的變形，容易發(fā)生破碎，切屑呈細碎節(jié)狀的顆粒，加工表面粗糙度值相對較低(圖3a)。A材料基體較軟，銑削時切削溫度較高，初晶硅顆粒易于轉動剝離，這些剝落的顆粒重新壓入加工表面形成坑洞、微裂紋，所以A材料的加工表面粗糙度值較高。此外，切削A材料時，觀察到積屑瘤現(xiàn)象，積屑瘤不斷長大、脫落，對加工表面質量產(chǎn)生負面影響。

2.3 切削速度對切削力的影響

分別取轉速為1000、1500、2000、2500r/min，ae=3mm，ap=2mm，N=2，fx=0.06mm進行實驗，各切削分力隨轉速變化情況如圖4所示。材料A無論在何種轉速下，X向的切削力幅值都明顯大于Y、Z向的切削應力幅值，且以Y向切削力最小。B材料切削力幅值呈現(xiàn)了同A材料相似的變化規(guī)律。從圖4中可以看出，在4種不同轉速條件下，A材料在Y、Z兩個方向上的切削力幅值均高于B材料的切削力幅值，B材料在X方向的切削應力幅值高于A材料的應力幅值，這表明微觀組織對切削力有顯著的影響。銑削B材料時，不僅初晶硅獲得細化，且共晶硅的形態(tài)從長針狀轉化為細針狀和短棒形，提高了基體的屈服強度，使B材料的硬度均勻無起伏，切削時振動減弱。相反，材料A的硬度起伏波動，當?shù)度信c硬質初晶硅相遇時，刀刃承受了較高的切削力。

3 結論

(1)金相測試顯示，經(jīng)變質處理的過共晶Al-Si18%合金與未變質處理的相同化學成分的鋁硅合金相比具有不同的微觀組織形貌。未變質合金中的硬質初晶硅呈粗大、形貌不規(guī)則的多邊形和尖角形態(tài)，且共晶組織大多為粗大的針狀，微觀硬度不均勻。變質處理后的合金中，初晶硅呈細小彌散分布，共晶組織呈細小的針狀，合金的硬度均勻無軟硬起伏。

(2)銑削測試實驗的結果顯示，具有細小、彌散而形態(tài)規(guī)則初晶硅的變質處理合金表現(xiàn)出較好的切削性能，切削過程平穩(wěn)，切削表面質量相對較好。其主要原因在于細小的初晶硅顆粒較易協(xié)調(diào)與基體的塑性變形，切屑易被刀具壓入已加工表面；而粗大的初晶硅顆粒在銑削過程中易于破碎、脫落，與刀具發(fā)生強烈摩擦使表面粗糙。

[1]馮吉福，林峰.PDC刀具切削硅鋁合金的表面粗糙度的研究[J].超硬材料工程，2013，25(3)：6-10.

[2]胡軍科，周創(chuàng)輝，王炎.均勻設計試驗方法的鋁合金高速切削參數(shù)優(yōu)化[J].制造技術與機床，2012，(7)：127-131.

[3]仇健，李曉飛.硬質合金立銑刀高速銑削鋁合金切削力實驗研究[J].中國機械工程，2012，(13)：1555-1560.

[4]宋健，李樂洲，明新國.鋁合金2A12T351銑削性能分析[J].機械制造，2008，46(529)：51-53.

[5]唐克巖，周立華.基于正交實驗7075-T7541航空鋁合金材料銑削力的研究[J].硬質合金，2011,28(3)：172-176.

[6]成群里，柯映林.航空鋁合金銑削加工中切削力的數(shù)值模擬研究[J].航空學報，2006，27(4)：724-727.

[7]Movahhedy M R，Mosaddegh P.Prediction of chatter in high speed milling including gyroscopic effects[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2006,12(46):996-1001.

[8]Tian J F，Hutton S G.Chatter instability in milling systems with flexible rotating spindles-a new theoretical approach[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2001,123(6):1-9.

[9]張傳合，丁紫陽，任書卿，等.變質處理對Al-20%Si合金顯微組織及切削性能的影響[J].鑄造技術，2014，35(5)：1019-1021.

(責任編輯：趙麗琴)

Influence of Microstructure of Hypereutectic Al-18Si% Alloy on Machinability

YU Qingdong，GU Hengheng，SHUI Li

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The effect of microstructure of Al-18Si% alloy on milling machinability was studied.The cutting test to two groups of hypereutectic Al-18Si% alloy which have the same chemical composition with different microstructures was made under the condition with carbide-tipped milling cutter and cutting speed at 1000 m/ min.The results show that,after refining treatment,the amplitude of signal strength of the cutting force was significantly lower than that of the unrefined material .In addition,the cutter service life was significantly increased and the process was relatively stable.However,the coarse,irregular coarsening primary silicon particles in unrefined material easily lead to chipping,peeling and adhesive wear and other wear form.Small,diffuse and distributed uniformly crystalline silicon alloy showed high machinability.

： Al-Si alloy;microstructure;machinability;cutting force;cutter wearing

2014-11-10；

于慶東(1970—)，男，助理工程師，研究方向：金屬材料熱處理.

1003-1251(2015)05-0062-04

TG146.12

A