20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切工藝

文／孟俊·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

20CrMnTi(H)圓鋼按常規(guī)低溫剪切下料時(shí)，易出現(xiàn)剪切端面裂紋，造成原材料報(bào)廢，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)節(jié)奏，給企業(yè)造成嚴(yán)重的損失。研究產(chǎn)生端面裂紋的原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例探討20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切工藝，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了顯著的成果。

20CrMnTi(H)鋼目前是我國最常使用的一種中強(qiáng)度滲碳齒輪鋼，通常用來制造機(jī)器中較為重要的耐磨損零件。某企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用1000t超精密棒料剪剪切20CrMnTi(H)圓鋼時(shí)（圖1），易出現(xiàn)剪切端面裂紋的缺陷，尤其是放置一段時(shí)間（12h以上）后，端部裂紋尤其明顯，從剪切端面不規(guī)則炸裂開，造成嚴(yán)重的原材料浪費(fèi)，并嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)計(jì)劃，給企業(yè)造成極大的損失。為此，針對(duì)這種情況分析研究產(chǎn)生端面裂紋的原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例探討20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切工藝，從此杜絕此類斷裂現(xiàn)象，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 1000t剪床

端部裂紋原因分析

20CrMnTi(H)圓鋼的硬度比較高，有一部分圓鋼在下料剪切時(shí)比較困難，容易造成剪切刀具刃口崩裂，而剪切下來的棒料放置一段時(shí)間（12h以上）端面出現(xiàn)貫穿裂紋，說明剪切之后棒料存在較大的殘余應(yīng)力。

理論分析認(rèn)為造成圓鋼端部開裂的可能因素較多，但歸根到底應(yīng)為應(yīng)力開裂，該應(yīng)力包括溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力和形變應(yīng)力。端部開裂一般是各個(gè)應(yīng)力共同作用的結(jié)果，但其中有某一種因素為主要原因，占主導(dǎo)作用，而其中剪切為直接原因或誘因。具有形變時(shí)效的特征。

Cr、Mn等合金元素在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于碳元素，其在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增加，因此含Cr、Mn等合金元素的鋼應(yīng)在高溫區(qū)加熱，以利于其均勻擴(kuò)散。Cr、Mn的配合可明顯推遲奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變，在較寬的冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織，甚至馬氏體組織。因此20CrMnTi(H)在加熱不充分的情況下，微觀組織內(nèi)偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致偏析區(qū)形成馬氏體和貝氏體組織。當(dāng)對(duì)圓鋼進(jìn)行低溫剪切時(shí)，巨大的剪切應(yīng)力和剪切變形使偏析區(qū)內(nèi)馬氏體和貝氏體組織產(chǎn)生微裂紋。在鋼材存放期間，變形區(qū)內(nèi)的殘余應(yīng)力很可能使微裂紋擴(kuò)展，發(fā)展成端面上的宏觀裂紋，即剪切端部裂紋。同時(shí)，殘余應(yīng)力因釋放而降低。然而，當(dāng)提高剪切溫度到350℃以上時(shí)，由于鋼材有較好的韌塑性，同時(shí)溫度較高，變形應(yīng)力容易得到釋放，殘余應(yīng)力較低，因此出現(xiàn)裂紋的幾率較小。

由上述分析可知，20CrMnTi(H)圓鋼出現(xiàn)剪切端面裂紋的基本原因是鋼中組織微觀區(qū)域內(nèi)成分的偏析使其在冷卻過程中出現(xiàn)了脆性的馬氏體和貝氏體，而剪切溫度較低是出現(xiàn)斷裂的主要原因之一。

加熱剪切工藝

2016年之前，某企業(yè)20CrMnTi(H)圓鋼都是鋸床下料，由于鋸切下料時(shí)的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生端面裂紋，但是生產(chǎn)率低，平均2件/min，無法滿足生產(chǎn)節(jié)奏，嚴(yán)重影響生產(chǎn)計(jì)劃。而在生產(chǎn)率高的剪床上下料時(shí)，平均20件/min，可以大大提高生產(chǎn)節(jié)奏，但又存在許多質(zhì)量問題，低溫剪切下料時(shí)由于材料硬度較高，剪切應(yīng)力、殘余應(yīng)力較大，端面易產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致鍛坯產(chǎn)生缺陷，無法正常生產(chǎn)。圖2所示為1000t熱剪生產(chǎn)線。

現(xiàn)場(chǎng)在上料臺(tái)架和剪床主機(jī)中間安裝了一臺(tái)加熱爐，加熱溫度根據(jù)室溫的不同，分別給出三個(gè)區(qū)間（100～250℃，200～350℃，300～400℃）進(jìn)行剪切質(zhì)量的探討，一方面考慮剪切棒料的端面質(zhì)量（不得有因剪切而產(chǎn)生的裂紋及撕裂；端面傾角≤3°；端面殘余毛刺≤2mm），一方面考慮剪切刀具的壽命。

不同爐號(hào)的鋼材硬度略有不同，100～250℃熱剪時(shí)，端面無裂紋，但當(dāng)某批鋼材硬度偏高時(shí)，有剪不動(dòng)、崩刀刃現(xiàn)象；200～350℃熱剪時(shí)，端面無裂紋，但當(dāng)在冬季室溫較低時(shí)，也有剪不動(dòng)、崩刀刃現(xiàn)象，室溫溫度較高時(shí)，剪切的棒料端面傾角較大，不符合下料工藝要求；300～400℃熱剪時(shí)，無論室溫溫度高低，剪切的棒料端面無裂紋，傾角小，完全符合下料工藝要求。單刃口刀具壽命達(dá)到10000件，和其他材料的正常低溫剪切工藝刀具壽命相當(dāng)，但是由于熱的剪切棒料，使剪切刀具刃口磨損、鈍化更快一些，所以中途需要人工修磨刀具刃口一至兩次，當(dāng)某批鋼材硬度較高時(shí)，修磨次數(shù)可能也會(huì)增加至兩三次。

自2016年以來，某企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)20CrMnTi(H)圓鋼都是剪床熱剪下料，圖3所示為熱剪下料時(shí)的加熱爐控制面板，圖4所示為熱剪棒料端面。加熱溫度300～400℃（電壓600V左右），冬季平均加熱溫度相對(duì)高一些，在330～400℃，春秋季和夏季平均加熱溫度相對(duì)低一些，在300～380℃。單就某一種材料為20CrMnTi(H)的同步器齒轂零件,需求量大概9～10萬件/月，熱剪后沒有出現(xiàn)過任何剪切棒料的質(zhì)量問題，較之前的鋸切下料，大大提高了生產(chǎn)效率，完全滿足高產(chǎn)的生產(chǎn)節(jié)奏。

圖2 1000t熱剪生產(chǎn)線

表1 不同室溫、不同加熱溫度的剪切質(zhì)量

圖3 加熱爐控制面板

圖4 熱剪棒料端面

分析和討論

某企業(yè)2012年之前20CrMnTi(H)材料鍛件需求量不是很大，基本上都是鋸床下料，偶見鋸床下料跟不上時(shí)，低溫剪切下料，量比較少，并沒有發(fā)現(xiàn)端面裂紋，但其中某一批20CrMnTi(H)圓鋼低溫剪切下料后，剪切下來的棒料放置一段時(shí)間（12h以上）端面出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的貫穿裂紋，造成原材料的嚴(yán)重浪費(fèi)。自2016年后，20CrMnTi(H)材料鍛件需求量越來越大，生產(chǎn)率低的鋸切下料，已無法滿足車間的生產(chǎn)節(jié)奏，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)計(jì)劃。而采用加熱剪切時(shí)（300～400℃），由于剪切溫度較高，剪切端面殘余應(yīng)力低，同時(shí)剪切溫度高時(shí)，有利于Cr、Mn元素的均勻擴(kuò)散，可明顯推遲奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變，在較寬的冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織，甚至馬氏體組織，微觀區(qū)域內(nèi)成分偏析較低，不易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

結(jié)論

⑴20CrMnTi(H)圓鋼一定范圍內(nèi)可以進(jìn)行低溫剪切（不加熱），但是當(dāng)其硬度稍微偏高時(shí)，容易造成端面裂紋的缺陷，造成原材料浪費(fèi)。

⑵造成端面裂紋的主要原因是：當(dāng)對(duì)圓鋼進(jìn)行低溫剪切時(shí)，巨大的剪切應(yīng)力和剪切變形使偏析區(qū)內(nèi)馬氏體和貝氏體組織產(chǎn)生微裂紋。在鋼材存放期間，變形區(qū)內(nèi)的殘余應(yīng)力很可能使微裂紋擴(kuò)展，發(fā)展成端面上的宏觀裂紋，即剪切端部裂紋。

⑶20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切時(shí)（300～400 ℃），剪切端面殘余應(yīng)力低，微觀區(qū)域內(nèi)成分偏析較低，不易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。