齒輪鋼棒材鋸切障礙成因分析

趙 亮 杜亞偉 郭秋實(shí) 劉 勇

(1. 安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司； 2. 廈門(mén)鎢業(yè)股份有限公司)

0 前言

Staffan和H.Chandrasekaran提出鋼的切削性能與鋼鐵材料的硬度有關(guān)，而材料的硬度取決于鋼的化學(xué)成分和微觀組織[1-2]，其中鋼的化學(xué)成分是通過(guò)鋼中夾雜物和成分偏析來(lái)影響其硬度的，微觀組織主要是常見(jiàn)的鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體和魏氏體等，這些組織的硬度不盡相同，如果鋼的組織不均勻，則鋼的硬度就會(huì)不均勻，從而影響鋼的鋸切性能。

朱偉華等人[3]對(duì)齒輪鋼鋼材鋸切下料時(shí)遇到的鋸切障礙現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，認(rèn)為造成齒輪鋼鋼材下料時(shí)鋸切困難的主要原因是鋼材的局部區(qū)域聚積有超量的大顆粒氮化鈦和氧化鋁夾雜物。當(dāng)這些夾雜物的顆粒足夠大時(shí)，就會(huì)在鋼材基體上起到一定的釘扎作用，造成鋸齒推動(dòng)這些夾雜物擠壓基體組織而形成硬度相當(dāng)高的遺留硬塊，夾雜物在此過(guò)程中被絆松脫落；當(dāng)這些夾雜物顆粒小而量比較多時(shí)，會(huì)造成鋸片偏離鋸切方向，從而形成弧形的鋸切斷面。所以在精煉過(guò)程中應(yīng)控制好脫氧劑Al的含量，全過(guò)程保護(hù)澆注，防止鋼水氧化，控制二次冷卻水保證高熔點(diǎn)的夾雜物均勻的在鋼中析出，可以有效的改善鋼材的鋸切性能。

另外一些研究[4-5]還認(rèn)為：棒材成分偏析引起的帶狀組織，致使顯微硬度分布不均勻，造成在切削過(guò)程中刀具產(chǎn)生抖動(dòng)，從而在較大程度上損害鋼的表面加工質(zhì)量，降低切削面的表面光潔度。

筆者結(jié)合前人的研究思路，針對(duì)某鋼廠齒輪鋼棒材18CrMnBH下料鋸切障礙展開(kāi)了系列研究，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，取得了良好的效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

1)取鋸切好的樣品a、b和差的樣品c、d，樣品截面處理后沿直徑方向打硬度;

2)完成上步后，取硬度正常和偏高區(qū)域的樣品，分別用顯微鏡和能譜儀對(duì)夾雜物分別、尺寸和成分進(jìn)行測(cè)量;

3)用顯微鏡觀察腐蝕后表面的組織情況;

4)得出影響鋸切因素，并提出解決措施。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 棒材截面硬度測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)樣品a、b、c和d進(jìn)行顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，硬度測(cè)試值見(jiàn)表1。

表1 硬度值的比較 / HV

從表1可以看出，樣品a和樣品b最大硬度和最小硬度偏差小，△HV≤94 HV ；c樣品和d樣品硬度偏差大，△HV>94。所以鋸切困難的根本原因是截面存在硬度值過(guò)大的區(qū)域，且△HV>94就會(huì)引起鋸切障礙問(wèn)題。

2.2 棒材截面夾雜物觀察結(jié)果及分析

2.2.1 夾雜物分布觀察

對(duì)夾雜物進(jìn)行取樣，取樣位置分別如圖1所示。

對(duì)圖1中相應(yīng)位置的夾雜物分布進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，8#位置和9#位置是鋸切性能好的位置，夾雜物的數(shù)量少、呈現(xiàn)彌散分布的狀態(tài)；1#位置夾雜物聚集在右側(cè)，2#位置分布均勻，3#位置夾雜物聚集在左側(cè)；4#位置和6#位置分布較均勻，5#位置和7#位置存在夾雜物密集區(qū)域、且?jiàn)A雜物數(shù)量比4#位置和6#位置的多。

(a) 樣品a

(b) 樣品c

(c) 樣品d

圖1取樣位置

(a) 1#位置

(b) 2#位置

(c) 3#位置

(d) 4#位置

(e) 5#位置

(f) 6#位置

(g)

(h) 8#位置

(i) 9#位置

2.2.2 EDS能譜分析

從夾雜物的觀察結(jié)果來(lái)看，樣品c和樣品d上硬度大的區(qū)域的夾雜物形狀包括條形、球形和帶棱角的多邊形。以下針對(duì)其典型的帶棱角的多邊形夾雜進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，典型帶棱角夾雜物成分主要含Al和Ca等元素。

齒輪鋼18CrMnBH采用AlSiCa脫氧，脫氧產(chǎn)物有Al2O3、SiO2、CaO，絕大部分夾雜物可以通過(guò)精煉去除。但部分仍會(huì)殘留在鋼中。因此類(lèi)夾雜硬度較高，為不變形夾雜物，軋制后形狀不會(huì)發(fā)生變形。

因此，鋸切困難樣品c和樣品d中夾雜物類(lèi)型為Al2O3和CaO或者兩者形成的復(fù)合夾雜物鋁酸鈣。

2.2.3 夾雜物數(shù)量和顯微硬度的關(guān)系

典型位置夾雜物數(shù)量與顯微硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示(圖中的數(shù)字表示該處的HV值)。

(a) 棱角夾雜宏觀形貌

(b) Al元素分布

(c) Fe元素分布

(d) C元素分布

(e) S元素分布

(f) Ca元素分布

(g) Mn元素分布

圖3典型帶棱角夾雜物EDS能譜照片

(a) 1#位置

(b) 2#位置

(c) 5#位置

(d) 7#位置

(e) 8#位置

(f) 9#位置

從圖4可以看出,樣品a的8#和9#區(qū)域夾雜含量少，彌散分布，硬度值低且較均勻；樣品c和d的典型位置1#、2#、5#和7#區(qū)域夾雜數(shù)量多，密集分布，硬度值偏高。

2.2.4 夾雜物尺寸、類(lèi)型及其占比統(tǒng)計(jì)

2.2.4.1 夾雜物尺寸和比例

取樣品a和樣品c，在顯微鏡下觀察20個(gè)視場(chǎng)的夾雜物尺寸分布情況，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 夾雜物尺寸分布統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出,樣品a夾雜尺寸不大于28 μm；樣品c的夾雜尺寸為5 μm～80 μm，且40 μm以上夾雜比例達(dá)到了42%。

2.2.4.2 夾雜物類(lèi)型和比例

同時(shí)，對(duì)相應(yīng)的夾雜物類(lèi)型所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。其中，表3中復(fù)合夾雜物由Al2O3、CaO、MgO等構(gòu)成。

從表3可以看出，樣品a主要為MnS夾雜物，比例達(dá)到了90%；樣品c的MnS夾雜比例僅為53%，其余47%為復(fù)合夾雜，且40 μm～80 μm占到了89%。

表3 不同類(lèi)型夾雜物比例

注：1. 其中，40 μm～80 μm所占比例為89%。

所以，綜合以上分析，可以得出：40 μm～80 μm的復(fù)合夾雜是引起鋼材鋸切困難的主要原因。

2.3 截面組織考查

將圖4中的樣品金相腐蝕后觀察其對(duì)應(yīng)的金相組織如圖5所示。

(a) 1#位置

(b) 2#位置

(c) 5#位置

(d) 7#位置

(e) 8#位置

(f) 9#位置

從圖5的金相組織照片可以看出，各典型位置所對(duì)應(yīng)的組織均為鐵素體和珠光體，組織特征正常。

3 鋸切障礙成因及解決措施

綜合對(duì)鋸切困難的原因分析，可以得出：引起齒輪鋼鋸切困難的主要原因是棒材截面局部存在密集的夾雜物，該夾雜擁有高硬度(Al2O3、CaO和MgO復(fù)合夾雜)，且尺寸為40 μm～80 μm，引起該區(qū)域硬度值偏高，從而產(chǎn)生鋸切困難。

因此，主要的改進(jìn)方向?yàn)椋涸黾覮F爐的軟吹時(shí)間，減少夾雜的密集度和去除大尺寸夾雜。對(duì)此，研究了LF爐夾雜物去除率隨軟吹時(shí)間的變化情況，兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6 夾雜去除率和軟吹時(shí)間的關(guān)系

從圖6可以看出， 隨軟吹時(shí)間增加，夾雜去除率增加，但軟吹時(shí)間10min后，去除率增加緩慢，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)之后再延長(zhǎng)軟吹時(shí)間意義不大。因此，將LF爐的軟吹時(shí)間提高至不小于10min。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)鋸切困難試樣較為系統(tǒng)的分析，得到以下結(jié)論：

1)鋸切好的試樣截面硬度波動(dòng)小，△HV≤94HV；鋸切壞的試樣截面硬度波動(dòng)大，△HV>94。

2)樣品硬度小的位置夾雜數(shù)量少，彌散分布；硬度大的位置夾雜多，密集分布，為Al2O3和CaO或者兩者形成的復(fù)合夾雜物鋁酸鈣。

3)鋸切壞的試樣的尺寸在5 μm～80 μm范圍的復(fù)合夾雜物比例達(dá)到了近50%，其中40 μm～80 μm所占的比例達(dá)到80%以上，該部分夾雜是造成鋸切困難的主要因素。

4)LF爐軟吹時(shí)間≥10 min，可減少夾雜物數(shù)量和去除大尺寸夾雜，從而解決鋸切困難。

[1] Staffan，Sture. Wear mechanisms and tool life of high speed steels related to microstructure[C]. International Tribology Conference[A]. Tokyo：Japan Society of Lubrication Engneers,1985(7):8-10.

[2] H. Chandrasekaran. Tooth Chipping During Power Hack Sawing and the Role of Saw Material Characteristics[J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology，1987，36(1)：27-31.

[3] 朱偉華，盧峰，陳才，等. 齒輪鋼鋼材鋸切障礙的原因分析[C]. 第十屆(2008年)中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集[A].鄭州：中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2008:1214-1217.

[4] 劉宗昌，王玉峰，楊慧，等. 42CrMo鋼鍛軋材的帶狀組織[J]. 包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22(4)：323-326.

[5] 陳濤，時(shí)彥林. 20CrMo棒材帶狀組織的控制研究[J]. 材料熱處理，2007，36(2)：23-25.