20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切工藝

文／孟俊·陜西法士特齒輪有限責任公司

20CrMnTi(H)圓鋼按常規低溫剪切下料時，易出現剪切端面裂紋，造成原材料報廢，嚴重影響正常生產節奏，給企業造成嚴重的損失。研究產生端面裂紋的原因，結合現場實例探討20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切工藝，在實際生產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度滲碳齒輪鋼，通常用來制造機器中較為重要的耐磨損零件。某企業現場用1000t超精密棒料剪剪切20CrMnTi(H)圓鋼時（圖1），易出現剪切端面裂紋的缺陷，尤其是放置一段時間（12h以上）后，端部裂紋尤其明顯，從剪切端面不規則炸裂開，造成嚴重的原材料浪費，并嚴重影響正常的生產計劃，給企業造成極大的損失。為此，針對這種情況分析研究產生端面裂紋的原因，結合現場實例探討20CrMnTi(H)圓鋼加熱剪切工藝，從此杜絕此類斷裂現象，提高產品質量。

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間（12h以上）端面出現貫穿裂紋，說明剪切之后棒料存在較大的殘余應力。

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

Cr、Mn等合金元素在鋼中的擴散系數遠小于碳元素，其在鋼中的擴散系數隨著溫度的升高而增加，因此含Cr、Mn等合金元素的鋼應在高溫區加熱，以利于其均勻擴散。Cr、Mn的配合可明顯推遲奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變，在較寬的冷卻速度范圍內獲得貝氏體組織，甚至馬氏體組織。因此20CrMnTi(H)在加熱不充分的情況下，微觀組織內偏析嚴重，導致偏析區形成馬氏體和貝氏體組織。當對圓鋼進行低溫剪切時，巨大的剪切應力和剪切變形使偏析區內馬氏體和貝氏體組織產生微裂紋。在鋼材存放期間，變形區內的殘余應力很可能使微裂紋擴展，發展成端面上的宏觀裂紋，即剪切端部裂紋。同時，殘余應力因釋放而降低。然而，當提高剪切溫度到350℃以上時，由于鋼材有較好的韌塑性，同時溫度較高，變形應力容易得到釋放，殘余應力較低，因此出現裂紋的幾率較小。

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

加熱剪切工藝

2016年之前，某企業20CrMnTi(H)圓鋼都是鋸床下料，由于鋸切下料時的殘余應力為壓應力，不會產生端面裂紋，但是生產率低，平均2件/min，無法滿足生產節奏，嚴重影響生產計劃。而在生產率高的剪床上下料時，平均20件/min，可以大大提高生產節奏，但又存在許多質量問題，低溫剪切下料時由于材料硬度較高，剪切應力、殘余應力較大，端面易產生裂紋，從而導致鍛坯產生缺陷，無法正常生產。圖2所示為1000t熱剪生產線。

現場在上料臺架和剪床主機中間安裝了一臺加熱爐，加熱溫度根據室溫的不同，分別給出三個區間（100～250℃，200～350℃，300～400℃）進行剪切質量的探討，一方面考慮剪切棒料的端面質量（不得有因剪切而產生的裂紋及撕裂；端面傾角≤3°；端面殘余毛刺≤2mm），一方面考慮剪切刀具的壽命。

不同爐號的鋼材硬度略有不同，100～250℃熱剪時，端面無裂紋，但當某批鋼材硬度偏高時，有剪不動、崩刀刃現象；200～350℃熱剪時，端面無裂紋，但當在冬季室溫較低時，也有剪不動、崩刀刃現象，室溫溫度較高時，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，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。單刃口刀具壽命達到10000件，和其他材料的正常低溫剪切工藝刀具壽命相當，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，當某批鋼材硬度較高時，修磨次數可能也會增加至兩三次。

自2016年以來，某企業現場20CrMnTi(H)圓鋼都是剪床熱剪下料，圖3所示為熱剪下料時的加熱爐控制面板，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高一些，在330～400℃，春秋季和夏季平均加熱溫度相對低一些，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，熱剪后沒有出現過任何剪切棒料的質量問題，較之前的鋸切下料，大大提高了生產效率，完全滿足高產的生產節奏。

圖2 1000t熱剪生產線

表1 不同室溫、不同加熱溫度的剪切質量

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，低溫剪切下料，量比較少，并沒有發現端面裂紋，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間（12h以上）端面出現相當嚴重的貫穿裂紋，造成原材料的嚴重浪費。自2016年后，20CrMnTi(H)材料鍛件需求量越來越大，生產率低的鋸切下料，已無法滿足車間的生產節奏，嚴重影響正常的生產計劃。而采用加熱剪切時（300～400℃），由于剪切溫度較高，剪切端面殘余應力低，同時剪切溫度高時，有利于Cr、Mn元素的均勻擴散，可明顯推遲奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變，在較寬的冷卻速度范圍內獲得貝氏體組織，甚至馬氏體組織，微觀區域內成分偏析較低，不易出現斷裂現象。

結論

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

⑵造成端面裂紋的主要原因是：當對圓鋼進行低溫剪切時，巨大的剪切應力和剪切變形使偏析區內馬氏體和貝氏體組織產生微裂紋。在鋼材存放期間，變形區內的殘余應力很可能使微裂紋擴展，發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（300～400 ℃），剪切端面殘余應力低，微觀區域內成分偏析較低，不易出現斷裂現象。