熱處理工藝對20Cr鋼表面粗糙度影響的試驗研究

□ 郝少祥 □曲全鵬

1.河南工程學院 機械工程學院 鄭州 4511912.河南工程學院 工程訓練中心 鄭州 451191

1 試驗研究背景

在大規模機械化、自動化生產過程中,需要保證零件表面粗糙度趨于一致或穩定在設定范圍內。筆者從熱處理工藝方面解決問題,查閱相關文獻,確認零件的表面粗糙度與零件內部的組織有關[1-4],而零件內部的組織又與所用材料的熱處理工藝有關[5]。對此,以常用的20Cr鋼為研究對象,在機械加工條件不變的前提下,研究20Cr鋼熱處理工藝與零件表面粗糙度之間的關系,通過改進20Cr鋼的熱處理工藝，來實現控制和穩定零件表面粗糙度這一目標,為相關生產企業提供技術支持和工藝保障。

2 試驗方法

20Cr鋼是企業常用的一種鋼,屬低碳低合金滲碳鋼,常用于制造齒輪、齒輪軸、花鍵軸、銷軸、塑料模具、鉆模、專用量具、連桿、絲杠、高強度螺栓等零件[6-9]。

試驗用20Cr鋼取自鞍鋼產的規格為φ30 mm×4 000 mm的棒材,其化學成分包括0.19%～0.21%C、0.87%～0.91%Cr、0.65%～0.70%Mn、0.18%～0.21%Si、0.026%～0.029%P、0.022%～0.027%S、0.021%～0.025%Ni、0.018%～0.020%Cu。將原始棒材加工成規格為φ30 mm×150 mm的短圓棒,均分為五組試驗坯料。五組坯料分別進行正火、退火、調質、淬火+中溫回火、正火+高溫回火五種熱處理工藝。每組中取出一根試驗坯料,加工出若干規格為φ30 mm×8 mm的薄圓片。薄圓片再經線切割,加工成規格為φ10 mm×8 mm的柱狀金相試樣。剩余的試驗坯料留作機加工試樣,分別經粗加工、半精加工、精加工處理。

采用SX-2.5-10箱式電阻爐進行熱處理,采用53X正置金相顯微鏡進行金相組織觀察并拍照,采用TR200針描式粗糙度儀測量表面粗糙度,采用HB-3000布氏硬度計測量布氏硬度,采用HR-150洛氏硬度計測量洛氏硬度。

采用CA6140車床進行切削加工。粗車削時,進刀量為2 mm,進給量為0.483 mm/r,主軸轉速為650 r/min,車削長度為50 mm。半精車削時,進刀量為1 mm,進給量為0.241 mm/r,主軸轉速為700 r/min,車削長度為50 mm。精車削時,進刀量為0.5 mm,進給量為0.157 mm/r,主軸轉速為870 r/min,車削長度為50 mm。

3 試驗情況

3.1 正火

20Cr鋼經正火處理后,獲得的表面粗糙度、硬度與金相組織見表1。

3.2 退火

20Cr鋼經退火處理后,獲得的表面粗糙度、硬度與金相組織見表2。

3.3 調質

20Cr鋼經調質處理后,獲得的表面粗糙度、硬度與金相組織見表3。

3.4 淬火+中溫回火

20Cr鋼經淬火+中溫回火處理后,獲得的表面粗糙度、硬度與金相組織見表4。

3.5 正火+高溫回火

20Cr鋼經正火+高溫回火處理后,獲得的表面粗糙度、硬度與金相組織見表5。

表1 20Cr鋼正火處理后情況

表2 20Cr鋼退火處理后情況

表3 20Cr鋼調質處理后情況

表4 20Cr鋼淬火+中溫回火處理后情況

表5 20Cr鋼正火+高溫回火處理后情況

4 試驗分析

將上述五種熱處理工藝試驗所得的表面粗糙度列于表6。由表6可知,粗車時退火處理所測得的表面粗糙度值最小,正火處理所測得的表面粗糙度值最大,其余工藝處理所測得的表面粗糙度值介于兩者之間。精車與半精車時,淬火+中溫回火處理所測得的表面粗糙度值最小,退火處理所測得的表面粗糙度值最大,其余工藝處理所測得的表面粗糙度值介于兩者之間。

粗車時,材料的硬度與組織對材料的表面粗糙度有顯著影響：材料的硬度越高,表面粗糙度值越大，材料的硬度越低,表面粗糙度值越小；材料的片狀組織越多,表面粗糙度值越大，材料的片狀組織越少,表面粗糙度值越小。精車、半精車時,材料的硬度與組織對材料表面粗糙度的影響不同于粗車時。材料的硬度越高,表面粗糙度值越小;材料的硬度越低,表面粗糙度值越大。細片狀組織材料的表面粗糙度值大于點或顆粒狀組織材料的表面粗糙度值,且低于粗片狀組織材料的表面粗糙度值。

表6 不同熱處理工藝表面粗糙度結果 μm

半精車時表面粗糙度值大于精車時，且小于粗車時。粗車時,材料的表面粗糙度取決于材料對刀刃的磨損程度[10-11]，材料的硬度與組織對刀刃的磨損程度有顯著影響[12]。材料的硬度越高,對刀刃的磨損程度越大,表面粗糙度值越大。材料的硬度越低,對刀刃的磨損程度越小,表面粗糙度值越小[13-14]。所以，粗車時退火處理所測得的表面粗糙度值最小。在材料組織相同的情況下,片狀組織越多，對刀刃的磨損程度影響越嚴重,表面粗糙度值越大。在材料組織不相同的情況下,片狀組織對刀刃磨損程度的影響大于點或顆粒狀組織[15]。因此，正火處理所測得的表面粗糙度值最大,其余工藝處理所測得的表面粗糙度值介于退火與正火之間。

精車、半精車時,材料的表面粗糙度值取決于材料的斷屑能力[16]，材料的斷屑能力則取決于材料自身的硬度。材料硬度越高,材料的脆性越大,斷屑能力越強,表面粗糙度值越小[17]。因此，精車與半精車時,淬火+中溫回火處理所測得的表面粗糙度值最小,退火處理所測得的表面粗糙度值最大,其余工藝處理所測得的表面粗糙度值介于兩者之間。

半精車時切削量遠小于粗車時,但高于精車時。半精車時對刀刃磨損程度的影響小于粗車時,但大于精車時。因此，半精車時的表面粗糙度值大于精車時，且小于粗車時。

5 結束語

通過試驗研究可知,對20Cr鋼而言,粗車時退火處理所測得的表面粗糙度值最小,正火處理所測得的表面粗糙度值最大,其余工藝處理所測得的表面粗糙度值介于兩者之間。精車與半精車時,淬火+中溫回火處理所測得的表面粗糙度值最小,退火處理所測得的表面粗糙度值最大,其余工藝處理所測得的表面粗糙度值介于兩者之間。