20CrMnTi零件加工表面粗糙原因分析及改进措施

2018-02-22陈海军

新疆钢铁 2018年4期

陈海军

（宝钢集团八钢公司制造管理部）

1 问题的提出

20CrMnTi是渗碳钢，含碳量为0.17%～0.24%的低碳钢。在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi有着良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。广泛用作渗碳零件，在汽车、拖拉机工业用于制作截面在30mm以下，承受高、中速或重负荷以及受冲击摩擦的重要渗碳零件。也被大量应用于摩托车、电动车、农用车零配件的制作。

某厂使用φ28mm20CrMnTi圆棒加工制作摩托车配件,在锻造成型后内圆孔内拉花键时切削面表面出现粗糙现象，无法保证产品质量。为此，对φ28mm20CrMnTi圆棒生产加工工序进行分析，查找原因，探索改进措施。

2 分析

用户使用20CrMnTi的工艺流程：下料——锻造——机械加工——碳氮共渗——淬火——回火——机械加工。此次出现加工面粗糙现象发生在锻造后的机械加工过程。

从图1可以看出，加工表面断屑情况不好导致表面粗糙，表明该20CrMnTi零件加工性能不好。

图1 内孔加工面粗糙形貌

切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、金相组织、物理性能等。如果一种材料在切削时的切削抗力小，刀具寿命长，表面粗糙度值低、断屑性好，则表明该材料的切削加工性能好。另外，也可以根据材料的硬度和韧性做大致的判断，硬度在HB160～230时，金相组织中没有大块铁素体时，钢的切削加工性能较好。硬度和韧性过低或过高，切削加工性均不理想。

根据这种情况，对加工后表面粗糙的零件取样进行了检测分析。

2.1 成分检测

成分检测结果见表1。

表1 成分检测结果 %

从表1可见成分符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》要求。

2.2 夹杂物检测

如果夹杂物局部大量聚集，会对切削加工表面有影响，但没有资料证明夹杂物分散分布会造成加工表面粗糙。为此对出现加工表面粗糙的零件作了夹杂物检测，观察外观未发现有夹杂物聚集现象，因此对夹杂物进行了高倍检测。

将20CrMnTi零件沿纵向剖开观察夹杂物。夹杂物评级统计见表2。

表2 20CrMnTi零件夹杂物级

从表2可见，夹杂物级别符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》要求。表明该零件纯净度可以满足要求。

2.3 组织形貌及硬度检测

电镜观察缺陷形貌，可见剪切和韧窝复合形貌，如图2。从缺陷形貌上判断是切削不畅造成的。导致原因可能是刀具磨损不锋利，或者是材料切削性能不佳粘刀。

图2 缺陷处形貌观察

切取内花键剖面观察金相组织，未发现基体金相组织有明显的差异。粗糙位置的组织呈现明显的局部加工流线，如图3、图4。

图3 失效部位金相组织

图4 正常部位金相组织

检测粗糙位置和正常位置的基体硬度发现粗糙位置的硬度稍低，如表3。

表3 显微硬度对比

3 讨论

钢材切削性能受多种因素影响。生产实践表明，钢的成分、金相组织与硬度等因素发生变化时其切削性能也会随之变化。20CrMnTi是合金结构钢，合金元素能改变钢中各组成相的性质和组织状态，从而影响钢材的各项性能。合金元素溶入铁素体中，起着固溶强化的作用，提高了钢的强度、硬度，降低了塑性和韧性。但是值得注意的是，少量的Mn（≤1.8%）、Cr（≤1.2%）溶入铁素体之后，对铁素体的韧性还有提高的作用[1]。20CrMnTi中Mn 0.8%～1.1%，Cr 1.0%～1.3%，对韧性有提高作用，韧性过高或过低都不利于切屑的断裂。

提高钢的切削性能一般是在钢中加入一种或几种元素，使其形成某种夹杂物，从而改善钢的切削加工性能。常用的附加元素有S、Pb、Ca、Se等,其中使用最广的是S和Pb。但是20CrMnTi多用作传动件，若S含量高，形成的夹杂物会削弱钢基体的强度，成为许多应力集中源，影响零件的力学性能。

20CrMnTi是低碳合金结构钢，其淬透性较高，热轧态组织有时存在贝氏体组织。贝氏体组织硬度较高，不利于切削加工。为了保证后续加工性能，一般需要预先热处理，以获得均匀的F+P组织。从对粗糙部位的组织检测可以看出，组织为F+P，组织分布较为均匀，铁素体呈网状分布，铁素体量稍多，硬度应当会偏低造成切削加工“粘刀”。从图3的组织检测可以看出，粗糙部位已经发生加工变形，加工流线明显而且变形部位弯折，表明该部位组织偏软且韧性较好，加工时切屑不能及时断裂剥落，容易粘附在刀刃部位形成积屑，继续切削就会造成加工面粗糙。从显微硬度检测也能证明这一点，粗糙部位硬度偏低，虽然换算成布氏硬度值在适宜加工的硬度范围内，但在下限，对切削加工有一定影响。