熱處理工藝對(duì)65Mn鋼表面粗糙度的影響

郝少祥，曲全鵬

(1.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191;2.河南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心, 河南 鄭州 451191)

65Mn鋼常用于制造彈簧、量具、冷作模具、刃具、轉(zhuǎn)軸、活塞柱、立柱、連桿、絲杠、塑料模具、磚模等重要結(jié)構(gòu)件[1-2]。在校企合作中，企業(yè)提出了如何在大規(guī)模機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，保證65Mn鋼質(zhì)零件表面粗糙度趨于一致或集中穩(wěn)定在設(shè)定范圍的問題。從文獻(xiàn)[3]至文獻(xiàn)[7]可知，零件表面的粗糙度與零件內(nèi)部的組織有關(guān)，而零件內(nèi)部的組織又與所用材料的熱處理工藝有關(guān)[8]。因此，在機(jī)械加工條件不變的情況下，可以通過改變65Mn鋼熱處理工藝來達(dá)到控制和穩(wěn)定零件表面粗糙度這一目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

65Mn鋼取自武漢鋼鐵公司產(chǎn)的規(guī)格為Φ30 mm×4 000 mm的棒材，其化學(xué)成分如下：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.63%～0.67%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.99%～1.05%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%～0.24%，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.019%～0.021%，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.021%～0.023%，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.018%～0.020%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.016%～0.020%，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%～0.020%。將原始棒材加工成規(guī)格為Φ30 mm×200 mm的短圓棒作為實(shí)驗(yàn)坯料，平均分為7組。7組坯料有針對(duì)性地經(jīng)正火、完全退火、不完全退火、球化退火、淬火+中溫回火、調(diào)質(zhì)、正火+高溫回火等7種熱處理工藝處理。從每組中取出一根坯料，加工出5枚規(guī)格為Φ30 mm×8 mm的薄圓片試樣，再經(jīng)數(shù)控線切割機(jī)床加工成規(guī)格為Φ8 mm×8 mm的金相試樣，剩余部分坯料留作機(jī)加工試樣，分別經(jīng)粗加工、精加工和半精加工處理。

采用SX2-5-12型箱式電阻爐進(jìn)行熱處理，采用6XB型金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察并拍照，采用上海鉅惠儀器制造有限公司手持式TR200型針描式粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度，采用山東萊州計(jì)量?jī)x器廠HB-3000B型布氏硬度計(jì)測(cè)量布氏硬度，采用山東萊州計(jì)量?jī)x器廠HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)量洛氏硬度，采用CA6180型車床進(jìn)行切削加工。精車削吃刀量為0.5 mm，進(jìn)給量為0.157 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，車削長(zhǎng)度為30 mm；半精車削吃刀量為1 mm，進(jìn)給量為0.241 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為700 r/min，車削長(zhǎng)度為 30 mm；粗車削吃刀量為2 mm，進(jìn)給量為0.521 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為560 r/min，車削長(zhǎng)度為30 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正火后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)正火處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表1。

表1 正火處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.1 Roughness, hardness values and microstructure of 65Mn steel after normalizing

2.2 完全退火后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)完全退火處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表2。

表2 完全退火處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.2 Roughness,hardness values and microstructure of 65Mn steel after annealing

2.3 不完全退火后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)不完全退火處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表3。

表3 不完全退火處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.3 Roughness, hardness values and microstructure of 65Mn steel after annealing

2.4 球化退火后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)完全退火處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表4。

表4 球化退火處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.4 Roughness, hardness values and microstructure of 65Mn steel after annealing

2.5 淬火+中溫回火后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)淬火+中溫回火處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表5。

表5 淬火+中溫回火處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.5 Roughness, hardness values and microstructure of 65Mn steel after quenching and middle tempering

2.6 調(diào)質(zhì)處理后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表6。

表6 調(diào)質(zhì)處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.6 Roughness, hardness values and microstructure of 65Mn steel after quenching and high tempering

2.7 正火+高溫回火后材料表面粗糙度、硬度與金相組織

65Mn鋼經(jīng)正火+高溫回火處理后，表面粗糙度、硬度與金相組織見表7。

表7 正火+高溫回火處理后65Mn鋼表面粗糙度、硬度與金相組織Tab.7 Roughness,hardness values and microstructure of 65Mn steel after normalizing and high tempering

7種熱處理工藝處理的65Mn鋼經(jīng)精車、半精車、粗車工序加工，獲得的表面粗糙度見表8。從表8中可知：粗車時(shí)不完全退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最小，而正火+高溫回火工藝測(cè)得的表面粗糙度最大，其余工藝測(cè)得的表面粗糙度在二者之間；半精車時(shí)不完全退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最小，而淬火+中溫回火工藝測(cè)得的表面粗糙度最大，其余工藝測(cè)得的表面粗糙度在二者之間；精車時(shí)球化退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最小，而完全退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最大，其余工藝測(cè)得的表面粗糙度在二者之間。

表8 不同工藝處理的65Mn鋼經(jīng)精車、半精車、粗車工序加工后的表面粗糙度對(duì)比Tab.8 Comparison of surface roughness of 65Mn steel after seven process treatment and rough, half finish, finish turning

粗車時(shí)，車床轉(zhuǎn)速雖不高，但吃刀量與進(jìn)給量較大，造成刀刃磨損嚴(yán)重。材料的表面粗糙度取決于刀刃的磨損程度[9-10]，而刀刃的磨損程度取決于材料自身的硬度。材料自身的硬度越高，刀刃的磨損程度就越高，切削出的材料表面粗糙度也就越大；反之，材料自身的硬度越低，表面粗糙度也就越小[11-12]。在組織相同的情況下，粗片狀P組織對(duì)刀刃的磨損程度要高于細(xì)片狀P組織[13]。因此，粗片狀P組織材料所得的表面粗糙度高于細(xì)片狀P組織。在組織不相同的情況下，片狀P組織對(duì)刀刃的磨損程度要高于顆粒狀P組織和細(xì)粒狀T組織[14-15]。因此，粗片狀P組織材料所得的表面粗糙度高于顆粒狀P組織。不完全退火所得硬度是7種工藝中比較低的，表面粗糙度是最小的。正火+高溫回火工藝和正火工藝所得組織相同，但前者為粗片狀P組織，后者為細(xì)片狀P組織，前者粗糙度高于后者，故正火+高溫回火工藝所得的表面粗糙度最大。雖然淬火+中溫回火工藝所得的硬度最高，但為細(xì)粒狀T組織，對(duì)刀刃的磨損程度不及片狀P組織，所以材料表面粗糙度僅次于獲得片狀P組織的工藝。其余工藝所得硬度皆處于中間值，所以其余工藝所得的表面粗糙度也對(duì)應(yīng)處于中間值。

半精車時(shí)，車床轉(zhuǎn)速雖然增加，但吃刀量與進(jìn)給量相對(duì)于粗車時(shí)減少將近一半，對(duì)刀刃的磨損程度相對(duì)粗車時(shí)下降較多，此時(shí)刀刃的磨損程度主要取決于材料的硬度，刀刃的磨損程度依然決定了材料表面的粗糙度。由于不完全退火所得的硬度是7種工藝中比較低的，對(duì)刀刃的磨損程度較低，所以獲得的表面粗糙度也較小。而淬火+中溫回火工藝所得的硬度較高，對(duì)刀刃的磨損程度較大，所以獲得的表面粗糙度也較大。其余工藝所得的硬度皆處于中間值，所以其余工藝所得的表面粗糙度也處于二者之間。

精車時(shí)，吃刀量與進(jìn)給量雖然大大減少，但車床轉(zhuǎn)速增加很多，對(duì)刀刃的磨損依舊嚴(yán)重，刀刃的磨損程度仍然決定了材料表面的粗糙度。由于球化退火所得的硬度是7種工藝中最低的，對(duì)刀刃的磨損最小，所以獲得的表面粗糙度也最低。淬火+中溫回火工藝所得的硬度是7種工藝中最高的，但為細(xì)粒狀T組織，對(duì)刀刃的磨損程度不及片狀P組織，所以材料的表面粗糙度僅次于獲得片狀P組織的完全退火工藝和正火+高溫回火工藝及正火工藝。而完全退火工藝和正火+高溫回火工藝及正火工藝所得的組織中都有片狀P組織，且厚度、長(zhǎng)度依次降低，對(duì)刀刃的磨損程度也依次降低，獲得的表面粗糙度也同樣依次降低，故完全退火工藝所得的表面粗糙度最大，正火+高溫回火工藝獲得的表面粗糙度次之，正火工藝獲得的表面粗糙度再次之。其余工藝所得的硬度皆處于中間值，所以其余工藝所得的表面粗糙度也相應(yīng)處于中間值。

3 結(jié)語

經(jīng)過7種熱處理工藝處理的65Mn鋼經(jīng)粗車、半精車、精車的加工后，可獲得不同的表面粗糙度。粗車時(shí)，不完全退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最小，而正火+高溫回火工藝測(cè)得的表面粗糙度最大，其余工藝測(cè)得的表面粗糙度在二者之間。半精車時(shí)，不完全退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最小，而淬火+中溫回火工藝測(cè)得的表面粗糙度最大，其余工藝測(cè)得的表面粗糙度在二者之間。精車時(shí)，球化退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最小，而完全退火工藝測(cè)得的表面粗糙度最大，其余工藝測(cè)得的表面粗糙度在二者之間。