20CrMnTi(H)圆钢加热剪切工艺

文／孟俊·陕西法士特齿轮有限责任公司

20CrMnTi(H)圆钢按常规低温剪切下料时，易出现剪切端面裂纹，造成原材料报废，严重影响正常生产节奏，给企业造成严重的损失。研究产生端面裂纹的原因，结合现场实例探讨20CrMnTi(H)圆钢加热剪切工艺，在实际生产中取得了显著的成果。

20CrMnTi(H)钢目前是我国最常使用的一种中强度渗碳齿轮钢，通常用来制造机器中较为重要的耐磨损零件。某企业现场用1000t超精密棒料剪剪切20CrMnTi(H)圆钢时（图1），易出现剪切端面裂纹的缺陷，尤其是放置一段时间（12h以上）后，端部裂纹尤其明显，从剪切端面不规则炸裂开，造成严重的原材料浪费，并严重影响正常的生产计划，给企业造成极大的损失。为此，针对这种情况分析研究产生端面裂纹的原因，结合现场实例探讨20CrMnTi(H)圆钢加热剪切工艺，从此杜绝此类断裂现象，提高产品质量。

图1 1000t剪床

端部裂纹原因分析

20CrMnTi(H)圆钢的硬度比较高，有一部分圆钢在下料剪切时比较困难，容易造成剪切刀具刃口崩裂，而剪切下来的棒料放置一段时间（12h以上）端面出现贯穿裂纹，说明剪切之后棒料存在较大的残余应力。

理论分析认为造成圆钢端部开裂的可能因素较多，但归根到底应为应力开裂，该应力包括温度应力、组织应力和形变应力。端部开裂一般是各个应力共同作用的结果，但其中有某一种因素为主要原因，占主导作用，而其中剪切为直接原因或诱因。具有形变时效的特征。

Cr、Mn等合金元素在钢中的扩散系数远小于碳元素，其在钢中的扩散系数随着温度的升高而增加，因此含Cr、Mn等合金元素的钢应在高温区加热，以利于其均匀扩散。Cr、Mn的配合可明显推迟奥氏体向铁素体和珠光体的转变，在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体组织，甚至马氏体组织。因此20CrMnTi(H)在加热不充分的情况下，微观组织内偏析严重，导致偏析区形成马氏体和贝氏体组织。当对圆钢进行低温剪切时，巨大的剪切应力和剪切变形使偏析区内马氏体和贝氏体组织产生微裂纹。在钢材存放期间，变形区内的残余应力很可能使微裂纹扩展，发展成端面上的宏观裂纹，即剪切端部裂纹。同时，残余应力因释放而降低。然而，当提高剪切温度到350℃以上时，由于钢材有较好的韧塑性，同时温度较高，变形应力容易得到释放，残余应力较低，因此出现裂纹的几率较小。

由上述分析可知，20CrMnTi(H)圆钢出现剪切端面裂纹的基本原因是钢中组织微观区域内成分的偏析使其在冷却过程中出现了脆性的马氏体和贝氏体，而剪切温度较低是出现断裂的主要原因之一。

加热剪切工艺

2016年之前，某企业20CrMnTi(H)圆钢都是锯床下料，由于锯切下料时的残余应力为压应力，不会产生端面裂纹，但是生产率低，平均2件/min，无法满足生产节奏，严重影响生产计划。而在生产率高的剪床上下料时，平均20件/min，可以大大提高生产节奏，但又存在许多质量问题，低温剪切下料时由于材料硬度较高，剪切应力、残余应力较大，端面易产生裂纹，从而导致锻坯产生缺陷，无法正常生产。图2所示为1000t热剪生产线。

现场在上料台架和剪床主机中间安装了一台加热炉，加热温度根据室温的不同，分别给出三个区间（100～250℃，200～350℃，300～400℃）进行剪切质量的探讨，一方面考虑剪切棒料的端面质量（不得有因剪切而产生的裂纹及撕裂；端面倾角≤3°；端面残余毛刺≤2mm），一方面考虑剪切刀具的寿命。

不同炉号的钢材硬度略有不同，100～250℃热剪时，端面无裂纹，但当某批钢材硬度偏高时，有剪不动、崩刀刃现象；200～350℃热剪时，端面无裂纹，但当在冬季室温较低时，也有剪不动、崩刀刃现象，室温温度较高时，剪切的棒料端面倾角较大，不符合下料工艺要求；300～400℃热剪时，无论室温温度高低，剪切的棒料端面无裂纹，倾角小，完全符合下料工艺要求。单刃口刀具寿命达到10000件，和其他材料的正常低温剪切工艺刀具寿命相当，但是由于热的剪切棒料，使剪切刀具刃口磨损、钝化更快一些，所以中途需要人工修磨刀具刃口一至两次，当某批钢材硬度较高时，修磨次数可能也会增加至两三次。

自2016年以来，某企业现场20CrMnTi(H)圆钢都是剪床热剪下料，图3所示为热剪下料时的加热炉控制面板，图4所示为热剪棒料端面。加热温度300～400℃（电压600V左右），冬季平均加热温度相对高一些，在330～400℃，春秋季和夏季平均加热温度相对低一些，在300～380℃。单就某一种材料为20CrMnTi(H)的同步器齿毂零件,需求量大概9～10万件/月，热剪后没有出现过任何剪切棒料的质量问题，较之前的锯切下料，大大提高了生产效率，完全满足高产的生产节奏。

图2 1000t热剪生产线

表1 不同室温、不同加热温度的剪切质量

图3 加热炉控制面板

图4 热剪棒料端面

分析和讨论

某企业2012年之前20CrMnTi(H)材料锻件需求量不是很大，基本上都是锯床下料，偶见锯床下料跟不上时，低温剪切下料，量比较少，并没有发现端面裂纹，但其中某一批20CrMnTi(H)圆钢低温剪切下料后，剪切下来的棒料放置一段时间（12h以上）端面出现相当严重的贯穿裂纹，造成原材料的严重浪费。自2016年后，20CrMnTi(H)材料锻件需求量越来越大，生产率低的锯切下料，已无法满足车间的生产节奏，严重影响正常的生产计划。而采用加热剪切时（300～400℃），由于剪切温度较高，剪切端面残余应力低，同时剪切温度高时，有利于Cr、Mn元素的均匀扩散，可明显推迟奥氏体向铁素体和珠光体的转变，在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体组织，甚至马氏体组织，微观区域内成分偏析较低，不易出现断裂现象。

结论

⑴20CrMnTi(H)圆钢一定范围内可以进行低温剪切（不加热），但是当其硬度稍微偏高时，容易造成端面裂纹的缺陷，造成原材料浪费。

⑵造成端面裂纹的主要原因是：当对圆钢进行低温剪切时，巨大的剪切应力和剪切变形使偏析区内马氏体和贝氏体组织产生微裂纹。在钢材存放期间，变形区内的残余应力很可能使微裂纹扩展，发展成端面上的宏观裂纹，即剪切端部裂纹。

⑶20CrMnTi(H)圆钢加热剪切时（300～400 ℃），剪切端面残余应力低，微观区域内成分偏析较低，不易出现断裂现象。