于庆东，顾恒恒，水 丽

(沈阳理工大学 1.工程实践中心；2.机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

微观组织形貌对过共晶Al-18Si%合金切削加工性能的影响

于庆东1，顾恒恒2，水 丽2

(沈阳理工大学 1.工程实践中心；2.机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

研究过共晶Al-18Si%合金微观组织结构对其切削加工性能的影响，使用硬质合金刀具，在切削速度1000m/min下对化学成分相同但微观组织结构不同的Al-18Si%合金进行铣削加工实验。结果表明：经细化变质处理后，切削力幅值信号强度明显低于未细化材料，刀具使用寿命显著提高，加工过程相对平稳。未细化处理材料中粗大、形貌不规则的硬质初晶硅颗粒易导致刀具发生崩刃、剥落和粘着磨损等形式；具有细小、弥散而分布均匀的初晶硅合金表现出较好的切削性能。

Al-Si合金；微观组织；切削性能；切削力；刀具磨损

过共晶铝硅合金的常温组织是初晶硅和共晶硅组织。过共晶铝硅合金具有强度高、耐疲劳、热膨胀系数小、耐磨性好和尺寸稳定等优点，一些发达国家已大量采用这类合金制造发动机活塞，在航空领域和汽车行业也有广泛应用[1-2]。

近年来，过共晶铝硅合金在国内也开始应用于航空航天、汽车、光学仪器等领域[3-4]。但由于合金中含有大量的硬质初晶硅，难于切削加工。硬质初晶硅加工的难易程度受微观组织结构、刀具种类及切削参数等多因素的影响[5-8]，其中数量和形态分布是决定合金切削性能的关键因素。随着硬质初晶硅含量的增加，其切削性能趋于恶化，这是由于随着硅含量的增加，合金中出现了尺寸粗大、形态各异的初晶硅，严重割裂了基体，影响了合金的切削性能，限制了硅铝合金的使用。目前低硅铝合金的切削性能已基本得到解决，而Si含量大于16%的硅铝合金对刀具磨损严重，难于切削，表面粗糙度和加工精度不易达标，加工成本高，应用较少。此类合金在应用之前需进行变质处理，改善硅铝合金的加工性能[9]。此外，相同化学成分在同一热处理状态下的过共晶合金也常会出现切削加工难易程度相差很大的现象，为研究产生上述现象的内在原因，本文选择过共晶Al-18Si%合金为试验材料，对其进行铣削实验，研究过共晶铝硅合金组织形貌，尤其是初晶硅的形态对其切削加工性能的影响。

1 实验条件

制备A、B两组合金作为测试材料，合金的化学成分如表1所示。两组合金的化学成分相同，但B组合金经TiB2中间合金细化处理，两组合金金相组织照片如图1所示。试样A为良好共晶基体上均匀分布着呈板条状或尖角状、大小约为100μm、形状不规则的初晶硅；材料B经过变质细化处理，组织为针状共晶硅的基体上分布着大小约为50μm，细小、规则的初晶硅。实测材料A的硬度为70HB，材料B的硬度为90HB。刀具采用山特维克2齿钨钴类硬质合金立铣刀，半径R=30mm，螺旋角β=35°，在X5036B万能铣床上干切削顺铣方式。铣削速度v=1000m/min，每齿进给量f=0.5mm/z，径向切深ae=2mm，轴向切深ap=3mm。

表1 试验合金的化学成分 wt%

(b)B组合金

2 试验结果与讨论

2.1 刀具磨损

图2为刀具切削A、B样品时，后刀面的磨损宽度随切削时间的变化情况。有图2可以看出，铣削A组材料的刀具使用寿命显著高于铣削B组材料的刀具使用寿命。这是因为，A组材料未经过细化处理，基体强度不均匀，硬质初晶硅形态不规则，分布亦不均匀，大多呈现多边尖角形态。从图1a中可以看出，局部大颗粒初晶硅被一圈白色α-Al组织包围，由于在凝固结晶过程中，先析出的大颗粒初晶硅吸收了液体中的高浓度Si元素，造成其周边区域贫Si，因此在初晶硅周边析出α-Al组织，α-Al的富集使微观区域硬度降低，塑性升高，切削变形时，硬质初晶硅易于在周边塑性较高的基体组织中发生转动而从基体中剥离出来，亦或破碎或折断，刀具的磨损主要表现为磨粒磨损或粘结磨损。此外，由于基体硬度不均匀、软硬交替、基体撕裂、铣削时切削温度较高等因素，易于出现积屑瘤，增加表面粗糙度。图1b中，硬质初晶硅细小均匀呈弥散分布，其中共晶硅组织的形态与A试样明显不同，共晶中的硅相呈细小的棒状，没有观察到Si元素浓度较低的α-Al低硬度区域，材料硬度比较均匀无起伏，基体强度与初晶硅颗粒的强度差值较小，切削变形时初晶硅颗粒不易发生转动，易于破碎，对刀具的磨粒磨损和冲击作用加剧，使切削振动加剧，在切削振动和较高切削温度共同影响下，刀具发生显著的崩刃、剥落和表面裂痕纹等磨损。

图2 切削A、B试样刀具磨损情况对比

2.2 加工表面质量

图3为刀具磨损程度与加工表面粗糙度的变化情况。

(a)表面粗糙度随刀具磨损量的变化曲线

(b)轮廓高度Rz随刀具磨损量的变化曲线

由图3可以看出，虽然硬质合金刀具铣削加工A材料时，刀具磨损率低于切削B材料，但A材料铣削表面Ra/Rz却高于B材料表面Ra/Rz，这是由于硬质初晶硅颗粒的剥落方式和伴随发生的颗粒破碎产生的各种加工缺陷，造成过共晶Al-18Si%合金材料加工表面粗糙。B材料基体硬度相对较高，初晶硅颗粒不易转动，难以协调其与临近基体材料的变形，容易发生破碎，切屑呈细碎节状的颗粒，加工表面粗糙度值相对较低(图3a)。A材料基体较软，铣削时切削温度较高，初晶硅颗粒易于转动剥离，这些剥落的颗粒重新压入加工表面形成坑洞、微裂纹，所以A材料的加工表面粗糙度值较高。此外，切削A材料时，观察到积屑瘤现象，积屑瘤不断长大、脱落，对加工表面质量产生负面影响。

2.3 切削速度对切削力的影响

分别取转速为1000、1500、2000、2500r/min，ae=3mm，ap=2mm，N=2，fx=0.06mm进行实验，各切削分力随转速变化情况如图4所示。材料A无论在何种转速下，X向的切削力幅值都明显大于Y、Z向的切削应力幅值，且以Y向切削力最小。B材料切削力幅值呈现了同A材料相似的变化规律。从图4中可以看出，在4种不同转速条件下，A材料在Y、Z两个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方向的切削应力幅值高于A材料的应力幅值，这表明微观组织对切削力有显著的影响。铣削B材料时，不仅初晶硅获得细化，且共晶硅的形态从长针状转化为细针状和短棒形，提高了基体的屈服强度，使B材料的硬度均匀无起伏，切削时振动减弱。相反，材料A的硬度起伏波动，当刀刃与硬质初晶硅相遇时，刀刃承受了较高的切削力。

3 结论

(1)金相测试显示，经变质处理的过共晶Al-Si18%合金与未变质处理的相同化学成分的铝硅合金相比具有不同的微观组织形貌。未变质合金中的硬质初晶硅呈粗大、形貌不规则的多边形和尖角形态，且共晶组织大多为粗大的针状，微观硬度不均匀。变质处理后的合金中，初晶硅呈细小弥散分布，共晶组织呈细小的针状，合金的硬度均匀无软硬起伏。

(2)铣削测试实验的结果显示，具有细小、弥散而形态规则初晶硅的变质处理合金表现出较好的切削性能，切削过程平稳，切削表面质量相对较好。其主要原因在于细小的初晶硅颗粒较易协调与基体的塑性变形，切屑易被刀具压入已加工表面；而粗大的初晶硅颗粒在铣削过程中易于破碎、脱落，与刀具发生强烈摩擦使表面粗糙。

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

[2]胡军科，周创辉，王炎.均匀设计试验方法的铝合金高速切削参数优化[J].制造技术与机床，2012，(7)：127-131.

[3]仇健，李晓飞.硬质合金立铣刀高速铣削铝合金切削力实验研究[J].中国机械工程，2012，(13)：1555-1560.

[4]宋健，李乐洲，明新国.铝合金2A12T351铣削性能分析[J].机械制造，2008，46(529)：51-53.

[5]唐克岩，周立华.基于正交实验7075-T7541航空铝合金材料铣削力的研究[J].硬质合金，2011,28(3)：172-176.

[6]成群里，柯映林.航空铝合金铣削加工中切削力的数值模拟研究[J].航空学报，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]张传合，丁紫阳，任书卿，等.变质处理对Al-20%Si合金显微组织及切削性能的影响[J].铸造技术，2014，35(5)：1019-1021.

(责任编辑：赵丽琴)

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；

于庆东(1970—)，男，助理工程师，研究方向：金属材料热处理.

1003-1251(2015)05-0062-04

TG146.12

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