锁钩气割加工问题与对策研究

邵 瑜

(天津铁路信号有限责任公司，天津 300300)

数控火焰切割机有切割厚度大的碳钢能力，切割效率较高、切割成本较低。一种45钢锁钩零件，其结构呈钩形，自由锻锻打成型后采用数控火焰切割机切割外形，大大提高了生产效率，而且生产成本较低。通过对锁钩气割后进行正火处理，分析调质处理后热影响区金相组织、晶粒度，确定了合理的工艺路线。气割前留加工余量，气割后采用正火处理、去除加工余量等方法可以消除气割带来的不利影响。

1 锁钩外形加工方式的选择

锁钩毛坯为自由锻造，厚度为58 mm，周边单面留余量20～30 mm。由于结构呈钩形，要去除掉这么大的加工余量靠机械加工的方式是很费时且不经济的。因此，选择采用气割方式去除锁钩周边较大的余料。

在机械加工过程中，气割下料是一种加工手段，这种加工方法不但可以降低生产成本，而且大大提高了生产效率，设备简单，操作灵活，适于各种零件的外形加工。

2 锁钩的气割工艺性分析

45钢锁钩结构呈钩形，工艺加工流程为：自由锻(厚度为58 mm，周边单面留余量20～30 mm)→气割外形(留余量5 mm)→正火处理→粗铣上下平面→调质处理→铣上下平面成活。

2.1 45钢的气割工艺性

45钢化学成分见表1，含碳量为0.42%～0.50%，属于中碳调质钢，在零界点以上加热，空冷后得到正火组织、水冷高温回火后得到调质组织。由于气割时瞬间加热温度远高于正火加热，致使所切割零件表面有硬化倾向而产生淬火组织、粗大魏氏组织等[1]。气割后存在淬硬区和过热区，且对机械性能有很大影响，气割造成屈服强度、抗拉强度、冲击性能的下降。因此，气割后的淬硬区和过热区必须加工掉，不能残留在产品上[2]。

表1 45钢的化学成分(质量分数，%)

2.2 正火工艺

正火又称常化，是将工件加热至Ac3或Acm以上30～50 ℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是使晶粒细化和碳化物分布均匀化，消除材料的内应力，降低材料的硬度。

锁钩正火处理工艺为：850±10 ℃保温后空冷。

锁钩加工工艺采用预留加工余量+正火处理+精加工去除加工余量的方式，来消除气割带来的不利影响。

3 试验方法

锁钩锻打成型后进行气割外形，气割时周边留量5 mm，然后进行正火处理。

对正火处理后的锁钩在不同部位截取金相试样，在显微镜下观察气割热影响区全貌、金相组织和晶粒度。在锁钩不同部位截取冲击试样，做冲击试验，通过外形部位与心部冲击值的对比，分析气割对锁钩的热影响程度。在成品锁钩上不同部位截取金相试样在显微镜下观察，进一步验证最终热处理调质处理后，气割对锁钩是否存在不利影响。

通过对气割热影响区的宽度、预留量5 mm、气割后材料性能变化情况等进行研究和分析，为制定工艺路线提供依据。

4 试验结果

4.1 气割+正火后热影响区的组织及宽度

试验采用3件锁钩，每件锁钩取加工试样3个。试样编号为A1-1、A1-2、A1-3，分别表示在Ⅰ锁钩的1#、2#、3#位置取样；试验编号A2-1、A2-2、A2-3，分别表示在Ⅱ锁钩的1#、2#、3#位置取样；试验编号为A3-1、A3-2、A3-3，分别表示在Ⅲ锁钩的1#、2#、3#位置取样。金相取样位置见图1。线切割取样，试样尺寸25 mm×10 mm×10 mm。

观察所取的试样，气割热影响区全貌、金相组织、晶粒度分析结果如图2、3、4所示。

图1 锁钩金相试样取样位置图Fig.1 Maping location of metallographic sample of lock hook

(a)A1-1；(b) A1-2；(c)A1-3图2 正火处理后热影响区全貌 50×Fig.2 Complete picture of heat affected zone of lock hook after normalizing teeatment 50×

(a)A1-1；(b) A1-2；(c)A1-3图3 正火处理后表面金相组织 500×Fig.3 Microstructure on surface after normalizing treatment 500×

(a)A1-1；(b) A1-2；(c)A1-3图4 正火后表面晶粒度 200×Fig.4 Grain on surface after normalizing 200×

4.2 气割+正火后的冲击性能

锁钩冲击试样取样位置见图5。经测试，所取4组试样的冲击值分别为：

1#试样3个冲击值(KU2)为47、43、38 J，其均值为42.7 J；

2#试样3个冲击值(KU2)为34、35、39 J，其均值为36.0 J；

3#试样3个冲击值(KU2)为42、45、39 J，其均值为41.7 J；

图5 锁钩冲击试样取样位置图Fig.5 Maping location of impact sample at lock hook

4#试样3个冲击值(KU2)为38、37、42 J，其均值为39.0 J。

5 调质处理后的金相组织和冲击性能

观察取自锁钩成品件的金相试样，调质后的金相组织见图6。锁钩成品件的金相组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体，金相组织评级为2级。

图6 锁钩调质后的金相组织 500×Fig.6 Microstructure of lock hook after quenching and tempering process

取自锁钩成品件的冲击试样进行冲击试验，结果如下：

1#试样3个冲击值(KU2)为94、84、83 J，其均值为87.0 J；

2#试样3个冲击值(KU2)为99、84、93 J，其均值为92.0 J；

3#试样3个冲击值(KU2)为98、95、108 J，其均值为100.3 J；

4#试样3个冲击值(KU2)为100、82、86 J，其均值为89.3 J。

6 试验分析

正火后热影响区的深度、表面金相组织、表面晶粒度见表2。

由表2可以看出，厚度为58 mm的45钢锁钩锻造毛坯，气割外形后，经正火处理，其热影响区深度<2 mm；零件表面晶粒度细小，达到10级。正火工艺通过细化晶粒，均匀组织，提高钢材的综合力学性能[3]。

表2 锻造+气割+正火对零件表面质量的影响分析

正火处理的锁钩外形上的3个部位(1#、2#、3#位置)冲击值分别为42.7、36.0、41.7 J与心部(4#位置)的冲击值39.0 J接近，说明正火处理后气割对锁钩的热影响已经不大。

锁钩调质处理金相组织评级为2级，在1～4级范围内。在调质处理的锁钩外形上3个部位(1#、2#、3#位置)的冲击值分别为87.0、92.0、100.3 J与心部(4#位置)的冲击值89.3 J接近，说明调质处理后气割对锁钩的热影响得到消除。

7 结论

1)材质为45钢的锁钩锻件(毛坯厚度58 mm)，气割+正火处理后气割热影响区宽度为<2 mm；

2)气割前留量，气割后采用正火处理、去除加工余量，可以消除气割带来的不利影响。