正火溫度對20CrNiMo齒輪鋼顯微組織和切削性能的影響

林振銘 季清清 朱 源 賈宇博 金 曼

（上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072）

正火溫度對20CrNiMo齒輪鋼顯微組織和切削性能的影響

林振銘 季清清 朱 源 賈宇博 金 曼

（上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072）

提出一種新型切削溫度測量裝置，比傳統(tǒng)測溫裝置更簡單、更方便，準確度高。利用該裝置研究正火溫度對20CrNiMo齒輪鋼顯微組織和切削性能的影響。結(jié)果表明，隨著正火溫度的提高，齒輪鋼組織中鐵素體長大且含量增加。正火溫度從850、950℃升高至1 050℃時，刀具切削溫度和前刀面磨損量均先下降后上升，切屑為長卷屑且逐漸增長。

20CrNiMo齒輪鋼 正火溫度 開槽法 組織 切削性能

齒輪是機械設(shè)備及汽車中重要零件。在傳遞力及改變速度的運動過程中，嚙合齒面之間既有滾動，又有滑動，而且齒面還受到脈動或交變彎曲應(yīng)力的影響，這對制作齒輪鋼的材料提出了更高的要求。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，齒輪普遍采用高度自動化的流水線生產(chǎn)方式，這要求齒輪鋼具備較好的切削性能［1-3］。目前切削性能有切削力、切削溫度、切屑、表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力等多種評價方法。切削力測量主要采用壓電式測力儀測量；切削溫度的測量有自然熱電偶法、人工熱電偶法、等效熱電偶法等。其中人工熱電偶法目前應(yīng)用比較成熟，但傳統(tǒng)的人工熱電偶需要在刀具或工件上開孔并將熱電偶埋進孔里測量，這樣每個刀片都需開孔，不僅鉆孔難度較大，而且極大影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本［3-5］。所以本文介紹了一種改變切削溫度測量系統(tǒng)的新型切削溫度測量方法，利用這種方法可以準確地測量硬質(zhì)合金刀具的切削溫度，并且測量方法簡單，操作方便，大大降低成本，提高生產(chǎn)效率。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

從軋制后的20CrNiMo齒輪鋼棒中切出長200 mm、φ20 mm圓棒，并切出長寬高各1 cm的小樣用于組織觀察和硬度測量。利用移動直讀式光譜儀測量齒輪鋼的成分，如表1所示。

1.2 熱處理方法及組織觀察

表1 20CrNiMo齒輪鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of 20CrNiMo steel（mass fraction） %

利用Jmat Pro軟件計算材料奧氏體化溫度約為832℃。故將奧氏體化溫度設(shè)為850、950℃和1 050℃。長棒試樣分兩組，每組3個試樣，第一組在不同溫度淬火、正火、退火，接著測量切削溫度，觀察兩種熱電偶固定方式的優(yōu)劣。第二組做不同溫度正火處理，并測量切削溫度變化情況。小試樣采取正火處理并觀察微觀組織，再利用電子布氏硬度計測量不同溫度正火后試樣的布氏硬度。試樣編號及相應(yīng)的熱處理工藝如表2所示。

表2 試樣熱處理工藝Table 2 Heat treatment process of samples

1.3 切削參數(shù)設(shè)定及切削性能測定

實驗使用C0630全齒輪變速儀表車床進行切削，其主軸轉(zhuǎn)速為87～1 370 r／min，縱向進給量0.026～0.102 mm。表3為實驗設(shè)定的切削參數(shù)。切削完后，利用超景深顯微鏡觀察刀具磨損表面并計算磨損面積。

表3 齒輪鋼切削參數(shù)設(shè)置Table 3 Cutting parameters of gear steel

1.4 測溫裝置的改進

本實驗在傳統(tǒng)人工熱電偶方法上做了些小改動，把傳統(tǒng)的點焊固定熱電偶和開孔法［6-7］改成開槽法，通過這種方法不僅在不影響刀具性能的前提下準確測量切削溫度，還可提高精度，降低成本。圖1（a）所示是傳統(tǒng)點焊熱電偶方法，圖1（b）是開槽法測定熱電偶。

圖1 兩種熱電偶安裝方法Fig 1 Two thermocouple installation methods

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 兩種熱電偶固定方法測溫結(jié)果對比

圖2為使用不同熱電偶固定方式時測得的切削溫度隨熱處理工藝方法的變化曲線?？梢?，傳統(tǒng)的點焊熱電偶測量切削溫度變化幅度大且不穩(wěn)定。使用新型的開槽法后，溫度變化平滑且準確，數(shù)據(jù)采集和處理方便，具有較大優(yōu)勢。

2.2 齒輪鋼的組織觀察

圖3是正火后齒輪鋼的顯微組織，主要是貝氏體和鐵素體，還有少量珠光體。從圖中還可以看出，隨著正火溫度升高，組織中的鐵素體逐漸變大，當(dāng)溫度達到1 050℃時，基體中的鐵素體明顯長大。因為正火加熱溫度升高，基體中溶質(zhì)原子擴散速度越快，晶界的遷移速度增大，導(dǎo)致高溫下鐵素體長大。根據(jù)圖3（d），可知隨著正火溫度升高，硬度不斷下降［8］。

圖2 兩種不同熱電偶固定方式所測得的不同熱處理態(tài)切削溫度Fig.2 Cutting temperatures of samples after different heat treatmentsmeasured by two differentmethods

圖3 不同溫度正火處理后的顯微組織和硬度Fig.3 Microstructures and hardness of the samples after being normalized at different temperatures

2.3 齒輪鋼的切削性能分析

2.3.1 切削溫度的測量與分析

切削熱是刀具切削時克服切削力所消耗的能量，其中97%～99%轉(zhuǎn)換為熱量，大量的熱能使切削區(qū)的溫度升高。圖4是刀具溫度隨正火溫度的變化曲線。由圖4可見，隨著正火溫度升高，刀具的切削溫度先下降后上升。當(dāng)正火溫度從850℃上升到950℃時，平均切削溫度降低約4℃，而從950℃上升至1 050℃時，平均溫度卻升高約9.5℃。一方面，硬度下降，刀具克服切削力所消耗的能量降低，溫度下降；但另一方面，鐵素體含量增多提高材料塑性。材料塑性好，容易形成長卷屑，長時間與刀具前刀面摩擦發(fā)熱，從而使刀具切削溫度明顯升高［9-11］。

2.3.2 切屑形態(tài)分析

在塑性材料的加工過程中，形成的切屑主要是帶狀切屑、擠裂切屑和單元切屑。本實驗中產(chǎn)生的切屑主要是帶狀切屑，呈長螺旋狀。切屑形態(tài)不僅與切削條件相關(guān)，還與材料的強塑性相關(guān)。切屑的斷裂則主要與材料的組織和斷屑槽相關(guān)，由于本實驗刀具未開斷屑槽，故主要與組織相關(guān)［12-13］。圖5是不同試樣切削后的切屑形態(tài)及折斷機制圖。可以看出，盡管正火溫度不一樣，但切削形態(tài)都是長螺旋狀的帶狀切屑。隨著正火溫度升高，切屑逐漸變長。

切屑形成機制［9］如下：在切削過程中，切屑從刀具前刀面流出，發(fā)生自然卷曲后往后刀面流出，切屑的端點會碰到工件或后刀面，當(dāng)作用力大于材料斷裂強度時折斷；但當(dāng)切屑具有一定的塑性時，切屑繼續(xù)向前卷曲逐漸變大，直到切屑內(nèi)環(huán)面的拉應(yīng)力超過材料斷裂強度才發(fā)生斷裂。所以，當(dāng)正火溫度較低時，材料組織強度高、塑性差，當(dāng)切屑碰到前刀面時就容易崩斷，切屑較短。而當(dāng)正火溫度升高時，鐵素體含量增多，硬度降低，但塑性提高，切屑碰到前刀面時不崩斷而是發(fā)生彎曲，形成較長切屑。

圖4 不同溫度正火后試樣的切削溫度變化情況Fig.4 Change of cutting temperature of samples after being normalized at different temperatures

圖5 不同溫度正火試樣的切屑狀態(tài)及形成機制Fig.5 Chip state of samples normalized at different temperatures and its formation mechanism

2.3.3 刀具磨損狀態(tài)觀察與分析

通過超景深顯微鏡觀察刀具前刀面磨損狀態(tài)，并利用超景深面積計算功能繪制刀具前刀面磨損掉的面積，通過磨損面積側(cè)面反映出磨損量。圖6所示是相同規(guī)格的刀具切削不同溫度正火處理試樣的前刀面磨損狀態(tài)以及通過計算得到的磨損面積值。

通過磨損面積值（圖6（d））可知，隨著正火溫度升高，刀具磨損面積先下降后上升。由圖6（a）～6（c）可知，切削850℃正火試樣的刀具有明顯裂痕，可見，硬度較高的材料對刀具的磨損較明顯。950℃正火試樣的硬度較低，切削該試樣的刀具沒有明顯裂痕，磨損面積較小，主要表現(xiàn)為硬質(zhì)點磨損。而切削1 050℃正火試樣的刀具磨損面積最大且磨損較嚴重，主要表現(xiàn)為黏結(jié)磨損［14］。這是因為，晶粒長大且組織中鐵素體含量增多，材料塑性增大。在切削過程中工件與刀具摩擦，兩摩擦表面的黏結(jié)點相互運動，由于塑性和黏性較好，刀具晶粒或晶粒群容易受工件晶粒剪切或者拉伸而被工件帶走，所以造成刀具前刀面明顯黏結(jié)磨損，磨損大且深。

3 結(jié)論

（1）新型熱電偶固定方式能夠更準確、更穩(wěn)定地測量刀具的切削溫度，不僅操作簡單方便，而且極大地提高了測量效率，降低測量成本。

（2）隨著正火溫度從850℃升高至1 050℃，齒輪鋼鐵素體逐漸長大。

（3）正火溫度為850、950℃和1 050℃，隨著正火溫度升高，刀具切削溫度和前刀面磨損程度均先下降后上升，切屑呈長卷屑狀，且長度逐漸變長。綜合考慮，可知正火溫度為950℃時，齒輪鋼顯微結(jié)構(gòu)較好，且具有較好的切削性能。

圖6 切削不同溫度正火態(tài)試樣刀具的磨損狀態(tài)及磨損面積Fig.6 Wear condition and wear area of tools after cutting samples normalized at different temperatures

致謝

本文由教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（上海大學(xué)金屬材料工程專業(yè)）資助。

［1］陳暉，周細應(yīng).汽車齒輪鋼的研究進展［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2011（03）：478-482.

［2］WANG B X，LIU X H，WANG G D.Effect of deformation of austenite and cooling rates on transformation microstructures in a Mn-Cr gear steel［J］.Materials＆Design，2009，30（6）：2198-2204.

［3］陳奕斐，沈斌，張恒華.Q＆P熱處理對齒輪鋼組織及性能的影響［J］.上海金屬，2013，35（6）：24-26.

［4］李茂林，郭德朋，焦殿輝，等.汽車用齒輪鋼國內(nèi)外概述及其發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2013（4）：13-16.

［5］王輝.切削力與切削溫度測量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的研制［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［6］LIU D，XU H H，ZHANG C Y.Study of cutting temperature and cutting force while machining Al-Si alloy［C］／／Proceedings of 2010 4th International Conference on Intelligent Information Technology Application.2010：4-9.

［7］朱紅霞，沈興全.金屬切削溫度測量方法的研究［J］.煤礦機械，2014，35（1）：96-98.

［8］李婧，林振銘，張恒華，等.汽車變速箱齒輪鋼原γ晶粒長大規(guī)律研究［J］.上海金屬，2015，37（5）：33-36.

［9］武文革，辛志杰.金屬切削原理及刀具［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［10］張士軍.涂層刀具切削溫度及其測試技術(shù)研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2009.

［11］ARRIOLA I，WHITENTON E，HEIGEL J，et al.Relationship between machinability index and in-process parameters during orthogonal cutting of steels［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（1）：93-96.

［12］合燁，王昌贏，陳小安，等.硬態(tài)車削軸承鋼GCr15切屑形成機理分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2013（5）：800-805.

［13］LALBONDRE R，KRISHNA P，MOHANKUMAR G C.Machinability Studies of Low Alloy Steels by Face Turning Method：An Experimental Investigation［J］.Procedia Engineering，2013，64：632-641.

［14］SILVA MB D，NAVES V T G，DE MELO JDB，et al.Analysis ofwear of cemented carbide cutting tools duringmilling operation of gray iron and compacted graphite iron［J］.Wear，2011，271（9）：2426-2432.

收修改稿日期：2015-11-24

Influence of Normalization Tem perature on Microstructure and Cutting Property of 20CrNiMo Gear Steel

Lin Zhenming Ji Qingqing Zhu Yuan Jia Yubo Jin Man
（School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China）

A new pattern of cutting temperature measuring device was introduced.It was easier to operate and more accurate than the traditional methods.And it was used to research the influence of normalizing temperature onmicrostructure and cutting properties of20CrNiMo gear steel.The results showed that the volume fraction of ferrite increased with the rising of normalizing temperature.Moreover，the cutting temperature and the wear area of the tools decreased firstly and then increased when the normalizing temperature increased from 850℃to 1 050℃.The chip was curly and became longer and longer.

20CrNiMo gear steel，normalizing temperature，slottingmethod，microstructure，cutting property

林振銘，男，從事變速箱齒輪鋼切削性能測定及deform模擬仿真，Email：lzm23422684＠163.com通信作者：金曼，副教授，Email：jinman919＠shu.edu.cn