陳海軍

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部）

1 問(wèn)題的提出

20CrMnTi是滲碳鋼，含碳量為0.17%～0.24%的低碳鋼。在保證淬透情況下，具有較高的強(qiáng)度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi有著良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好。主要用于齒輪，軸類(lèi)，活塞類(lèi)零配件以及汽車(chē)，飛機(jī)各種特殊零件部位。廣泛用作滲碳零件，在汽車(chē)、拖拉機(jī)工業(yè)用于制作截面在30mm以下，承受高、中速或重負(fù)荷以及受沖擊摩擦的重要滲碳零件。也被大量應(yīng)用于摩托車(chē)、電動(dòng)車(chē)、農(nóng)用車(chē)零配件的制作。

某廠使用φ28mm20CrMnTi圓棒加工制作摩托車(chē)配件,在鍛造成型后內(nèi)圓孔內(nèi)拉花鍵時(shí)切削面表面出現(xiàn)粗糙現(xiàn)象，無(wú)法保證產(chǎn)品質(zhì)量。為此，對(duì)φ28mm20CrMnTi圓棒生產(chǎn)加工工序進(jìn)行分析，查找原因，探索改進(jìn)措施。

2 分析

用戶使用20CrMnTi的工藝流程：下料——鍛造——機(jī)械加工——碳氮共滲——淬火——回火——機(jī)械加工。此次出現(xiàn)加工面粗糙現(xiàn)象發(fā)生在鍛造后的機(jī)械加工過(guò)程。

從圖1可以看出，加工表面斷屑情況不好導(dǎo)致表面粗糙，表明該20CrMnTi零件加工性能不好。

圖1 內(nèi)孔加工面粗糙形貌

切削加工金屬材料的難易程度稱(chēng)為切削加工性能。一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具壽命等方面來(lái)衡量。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學(xué)成分、金相組織、物理性能等。如果一種材料在切削時(shí)的切削抗力小，刀具壽命長(zhǎng)，表面粗糙度值低、斷屑性好，則表明該材料的切削加工性能好。另外，也可以根據(jù)材料的硬度和韌性做大致的判斷，硬度在HB160～230時(shí)，金相組織中沒(méi)有大塊鐵素體時(shí)，鋼的切削加工性能較好。硬度和韌性過(guò)低或過(guò)高，切削加工性均不理想。

根據(jù)這種情況，對(duì)加工后表面粗糙的零件取樣進(jìn)行了檢測(cè)分析。

2.1 成分檢測(cè)

成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成分檢測(cè)結(jié)果 %

從表1可見(jiàn)成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求。

2.2 夾雜物檢測(cè)

如果夾雜物局部大量聚集，會(huì)對(duì)切削加工表面有影響，但沒(méi)有資料證明夾雜物分散分布會(huì)造成加工表面粗糙。為此對(duì)出現(xiàn)加工表面粗糙的零件作了夾雜物檢測(cè)，觀察外觀未發(fā)現(xiàn)有夾雜物聚集現(xiàn)象，因此對(duì)夾雜物進(jìn)行了高倍檢測(cè)。

將20CrMnTi零件沿縱向剖開(kāi)觀察夾雜物。夾雜物評(píng)級(jí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 20CrMnTi零件夾雜物 級(jí)

從表2可見(jiàn)，夾雜物級(jí)別符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求。表明該零件純凈度可以滿足要求。

2.3 組織形貌及硬度檢測(cè)

電鏡觀察缺陷形貌，可見(jiàn)剪切和韌窩復(fù)合形貌，如圖2。從缺陷形貌上判斷是切削不暢造成的。導(dǎo)致原因可能是刀具磨損不鋒利，或者是材料切削性能不佳粘刀。

圖2 缺陷處形貌觀察

切取內(nèi)花鍵剖面觀察金相組織，未發(fā)現(xiàn)基體金相組織有明顯的差異。粗糙位置的組織呈現(xiàn)明顯的局部加工流線，如圖3、圖4。

圖3 失效部位金相組織

圖4 正常部位金相組織

檢測(cè)粗糙位置和正常位置的基體硬度發(fā)現(xiàn)粗糙位置的硬度稍低，如表3。

表3 顯微硬度對(duì)比

3 討論

鋼材切削性能受多種因素影響。生產(chǎn)實(shí)踐表明，鋼的成分、金相組織與硬度等因素發(fā)生變化時(shí)其切削性能也會(huì)隨之變化。20CrMnTi是合金結(jié)構(gòu)鋼，合金元素能改變鋼中各組成相的性質(zhì)和組織狀態(tài)，從而影響鋼材的各項(xiàng)性能。合金元素溶入鐵素體中，起著固溶強(qiáng)化的作用，提高了鋼的強(qiáng)度、硬度，降低了塑性和韌性。但是值得注意的是，少量的Mn（≤1.8%）、Cr（≤1.2%）溶入鐵素體之后，對(duì)鐵素體的韌性還有提高的作用[1]。20CrMnTi中Mn 0.8%～1.1%，Cr 1.0%～1.3%，對(duì)韌性有提高作用，韌性過(guò)高或過(guò)低都不利于切屑的斷裂。

提高鋼的切削性能一般是在鋼中加入一種或幾種元素，使其形成某種夾雜物，從而改善鋼的切削加工性能。常用的附加元素有S、Pb、Ca、Se等,其中使用最廣的是S和Pb。但是20CrMnTi多用作傳動(dòng)件，若S含量高，形成的夾雜物會(huì)削弱鋼基體的強(qiáng)度，成為許多應(yīng)力集中源，影響零件的力學(xué)性能。

20CrMnTi是低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，其淬透性較高，熱軋態(tài)組織有時(shí)存在貝氏體組織。貝氏體組織硬度較高，不利于切削加工。為了保證后續(xù)加工性能，一般需要預(yù)先熱處理，以獲得均勻的F+P組織。從對(duì)粗糙部位的組織檢測(cè)可以看出，組織為F+P，組織分布較為均勻，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，鐵素體量稍多，硬度應(yīng)當(dāng)會(huì)偏低造成切削加工“粘刀”。從圖3的組織檢測(cè)可以看出，粗糙部位已經(jīng)發(fā)生加工變形，加工流線明顯而且變形部位彎折，表明該部位組織偏軟且韌性較好，加工時(shí)切屑不能及時(shí)斷裂剝落，容易粘附在刀刃部位形成積屑，繼續(xù)切削就會(huì)造成加工面粗糙。從顯微硬度檢測(cè)也能證明這一點(diǎn)，粗糙部位硬度偏低，雖然換算成布氏硬度值在適宜加工的硬度范圍內(nèi)，但在下限，對(duì)切削加工有一定影響。

4 提高硬度改進(jìn)方案及效果

根據(jù)用戶的加工條件，通過(guò)調(diào)整鍛造溫度和鍛后冷卻來(lái)提高零件基體硬度，可以改善加工面的粗糙度。為此對(duì)20CrMnTi進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

取φ28mm20CrMnTi圓鋼連續(xù)截取加工熱頂鍛樣，模擬用戶鍛造溫度采用鍛后堆冷和散冷驗(yàn)證對(duì)硬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4和圖5、圖6可見(jiàn)，鍛造溫度控制在1000℃時(shí)，鍛造后堆冷硬度較高，但低于出現(xiàn)粘刀處的硬度；鍛造溫度控制在1050℃時(shí)，鍛造后散冷硬度平均值在HV216.6，與未出現(xiàn)粘刀處硬度相當(dāng)，比較適應(yīng)切削加工。

表4 檢測(cè)結(jié)果

圖5 鍛造溫度對(duì)硬度的影響

圖6 散冷對(duì)硬度的影響

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析認(rèn)為，出現(xiàn)切削面粗糙主要是基體硬度偏軟加工時(shí)粘刀造成。鍛造溫度控制在1050℃，鍛造后散冷硬度較高，比較適應(yīng)切削加工?，F(xiàn)場(chǎng)反饋表面出現(xiàn)加工粗糙的零件均是在鍛造成型后由用戶堆放在鐵皮容器內(nèi)。根據(jù)模擬試驗(yàn)，用戶改進(jìn)后采用1050℃加熱，鍛造后將零件散放，沒(méi)再有出現(xiàn)加工后表面粗糙的現(xiàn)象。