CN101215623B

CN101215623B - 一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法

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Publication number: CN101215623B
Application number: CN2007101593220A
Authority: CN
Inventors: 丁志敏; 杨亮; 李宝良
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: CN101215623A

Abstract

本发明公开了一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，包括对普通高锰钢或合金化的高锰钢制件整体进行水韧处理或水韧处理后加低温时效处理的步骤，其特征在于还包括对高锰钢表面需要进行切削加工的表层加热到600～960℃，并依加热方法及加热温度不同保温0.5秒～4小时进行表面时效处理后，再进行切削加工的步骤。与现有高锰钢切削加工方法相比较，本发明在保证高锰钢内部的韧性不受损害的情况下，提高了高锰钢的切削加工性能，具有生产工艺简单、切削加工性能稳定等特点，适宜在工业生产中推广应用。

Description

一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法

技术领域

本发明涉及一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，特别是将整体经过水韧处理和/或水韧处理加低温时效处理的高锰钢，采用表面加热的方法对其表面进行时效处理。表面时效处理后，高锰钢的表层组织由原始的奥氏体基体转变为奥氏体和/或铁素体基体上均匀分布着碳化物颗粒的组织结构，而内部仍为具有高形变强化能力的奥氏体组织。由于表层组织形变强化能力的降低，从而提高了高锰钢在切削加工中的切削加工性能。属于耐磨材料的切削加工领域。

背景技术

以ZGMn13为代表的高锰钢通常是在先整体加热到1000℃左右保温，随后水韧处理得到单相奥氏体和/或水韧处理加低温时效处理得到奥氏体加少量碳化物的组织状态下使用，由于高锰钢中的奥氏体比较稳定，并具有良好的塑性和韧性，裂纹扩展速率很低，因而高锰钢在使用时非常安全可靠。

高锰钢由于具有在较大冲击载荷或接触应力作用下，其表层奥氏体能够迅速产生加工硬化，使表层硬度急剧升高的特性，因而在抵抗强冲击、大应力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面，其耐磨性是其他材料所无法比拟的。因此，高锰钢长期以来得以广泛地应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中，如破碎机锤头、齿板、轧臼壁、挖壁机斗齿、球磨机衬板、铁路道岔等。

但正是由于高锰钢这种非常高的表面形变强化能力，使得高锰钢在切削加工过程中，在切削刀具的作用下，其表层的切削部位会迅速产生加工硬化，而使切削加工性能急剧降低，导致了材料很难进一步切削加工，因此，高锰钢在以前被认为是不可加工的材料，一般只限于铸件。随着近几十年来刀具材料的迅速发展，如硬质合金刀具以及新型的复合材料陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具等在生产中的应用，使得高锰钢的切削加工成为可能。但由于高锰钢的难切削加工性，而使其加工效率极低，刀具寿命短，刀具材料消耗严重，加工成本高，因此，为了提高高锰钢的切削加工性能，提高高锰钢的加工效率，人们已经在此方面开展了广泛深入的研究，并取得了许多研究成果，使高锰钢的切削加工性能有了较大的提高：

1、选择先进的刀具材料和优化切削加工条件

针对高锰钢表面的加工硬化现象，切削高锰钢时一般选用硬度和红硬性高、耐磨性好，并有较高强度、韧性和导热系数的刀具材料，如：在生产实际中较为广泛地采用硬质合金刀具来加工高锰钢。而公开号为CN1148580的《复相陶瓷刀具材料及其加工工艺》和公开号为CN85100177的《高耐磨性高韧性氮化硅基陶瓷刀具材料》则分别开发出了用于加工难加工材料的氧化铝(Al₂O₃)基和氮化硅(SiN)基陶瓷刀具材料及其加工工艺。公开号为CN1271706《高耐磨性复合金属陶瓷刀具材料》开发出了采用碳氮化钛Ti(CN)作为主相，采用Si₃N₄-Al₂O₃作为复合耐磨相，以金属粘结相及氧化物和碳化物作为添加剂，经过混合成型烧结的陶瓷材料刀具，用于加工难加工材料的新型刀具。

并且针对高锰钢切削力大和导热性能差的特点，选择合理的刀具几何角度参数以及在刀具材料一定的条件下，选择最佳的切削加工条件，也能达到改善高锰钢切削加工性能的目的。

2、磁化切削

在磁化切削过程中，将磁化线圈绕于刀具上，通过给线圈通电使其磁化，或直接使用经过磁化处理的刀具来进行切削加工。经磁化切削后工件表面的粗糙度值减小，而刀具耐用度明显提高。

3、低温切削

在切削过程中，用液体氮(-196℃)、液体二氧化碳(-76℃)及其他低温液体切削液来冷却刀具或工件，以保证切削过程顺利进行。这种切削方法可有效控制切削温度，减少刀具磨损，提高刀具耐用度，提高加工精度、表面质量和生产率。

4、加热切削

加热切削是在难切削材料的切削加工过程中，通过某种加热方式(感应加热、电弧加热、激光加热、等离子加热、通电加热等)使材料的切削部位被加热，并在热态下对零件进行切削加工的一种方法。此方法是利用难切削材料在被加热状态下，其硬度、强度将由于温度的升高而下降的原理，来达到减少切削力，提高刀具的耐用度和生产率，以及改善切削加工表面粗糙度的目的。公开号为CN1077405的《聚光加热切削工艺及其聚光装置》报道了一种聚光加热切削工艺，是将聚光加热装置安装在机床上，切削时启动光源，使光源的辐射光聚焦在工件的待加工表面上，进行加热切削，提高了材料的切削加工性能。

5、整体加热进行高温回火处理

高锰钢加工之前，对其整体进行高温回火，即将高锰钢整体加热至600～650℃，保温2小时以上再冷却，使高锰钢奥氏体组织转变为索氏体组织，然后再进行切削加工，此时高锰钢的加工硬化现象大大减弱，有效地改善了切削加工性能，然后再对其进行水韧处理，使其重新变为单一的奥氏体组织。

综上所述，选择先进的刀具材料和优化切削加工条件、磁化切削、低温切削、加热切削、整体加热进行高温回火处理等方法，对于提高高锰钢的切削加工性能来说都是卓有成效的。但不论那种方法，它们在选材和生产方法上都存在着一些较大的弊端。对于选择合理的刀具材料和优化切削加工条件的方法来说，它要求的刀具材料必须是价格昂贵的超硬或超超硬材料，如：硬质合金刀具和陶瓷刀具等，这样势必造成加工成本的提高。对于磁化切削、低温切削和加热切削来说，必须在材料的加工设备上增加一套附加的磁化、制冷或加热设备，以便在材料表面或者刀具被磁化、制冷或加热的过程中就能直接进行切削加工。这样不但增加了附加的设备和加工成本，而且还会给加工过程中带来许多不便，降低了生产效率。特别是对于加热切削的方法，由于是在高温瞬间加热状态下对材料进行切削，因而切削刀具也会不可避免地被加热而使其耐用度受到影响。而对于高锰钢整体高温回火法的方法来说，虽然切削加工性能得到了提高，但是其处理方法过分的繁琐，以及切削加工后还需进行进一步的水韧处理来重新获得单一的奥氏体组织而将可能引起由于重新加热而引起的像零件的淬火变形、表面脱碳等加热缺陷的出现。因此，为了提高高锰钢的切削加工性，在保证高锰钢本身具有韧性好、承载硬化高、耐磨性好等性能优势不受到损害的条件下，开发一种简单有效以及生产成本低廉的生产方法来提高高锰钢的切削加工性是完全必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所存在的问题，在生产方法和工艺上进行了改进，旨在对经过水韧处理和/或水韧处理加低温时效处理的高锰钢，在切削加工之前，采用表面加热的方法对其表层进行时效处理，使高锰钢制件表面需要切削加工部分的内部组织结构由具有高加工硬化能力的原始奥氏体组织转变为较低加工硬化能力的奥氏体和/或铁素体加碳化物的组织结构从而提高了高锰钢的切削加工性能。本发明与加热切削的方法相比，虽然都能提高高锰钢的切削性能，但不论是在加工方法的原理上，还是在加热规范以及加工工序上均存在有明显的差别。在加工方法的原理上，加热切削法是利用了所有金属材料在温度升高时其硬度、强度下降的特性来达到提高包括高锰钢在内的难切削材料的切削加工性能的；而本发明是利用高锰钢表层经过加热到一定温度并保温一段时间的时效处理后，其表层内部的组织结构发生了转变——由具有高加工硬化能力的奥氏体组织转变为较低加工硬化能力的奥氏体和/或铁素体加碳化物组织——来达到提高高锰钢的切削加工性能的。在加热规范上，加热切削法是将材料的切削部位加热到所需的温度，尔后马上在热态下进行切削，而对在加热温度上进行一段时间的保温则没有要求。只要切削加工时切削刀具前端切削部位的温度达到所需的温度即可；而本发明不但加热温度需要超过600℃，甚至可以达到960℃，而且还需要在加热的温度上进行一段时间的保温。其保温时间的长短则必须根据表面时效处理时的具体加热温度能够达到所需要的内部组织结构的转变量来确定。一般地，表面时效处理时的加热温度越高，组织转变将越快，因而所需的保温时间可以越短。而在加工工序上，加热切削法必须是材料的加热与切削加工同步进行；而本发明是作为切削加工的前一道工序来进行。即使在切削加工的过程中，经表面时效加热处理后的高锰钢表层的温度不在所要求的时效加热温度范围内也不会影响其切削加工性能。

由于本发明仅仅对需要切削加工的高锰钢表层进行表面时效处理，而使得切削加工后的高锰钢的内部基本上没有发生组织结构转变，仍为韧性较高、且具有高加工硬化能力的奥氏体组织，因而保持了高锰钢原有的性能优势。由此可见，本发明在高锰钢的切削加工上将具有更为广泛的应用前景。

本发明虽然与申请号为200610155835.X的《提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法》在权利要求上除了在加热温度范围和保温时间上稍有差异外，但工艺过程及加工件内部组织变化的实质完全不同。《提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法》的实质是高锰钢经过表面时效处理后，在表层获得奥氏体基体上均匀弥散分布着细小的碳化物硬质点的组织结构，由于碳化物硬质点在奥氏体基体上起着硬化的作用，而使高锰钢表面硬度提高，从而提高了高锰钢在使用初期的耐磨性能。而本发明的实质是通过高锰钢经过表面时效处理后，表层的组织结构由原始的奥氏体组织部分或全部转变为铁素体加碳化物组织，而获得奥氏体和铁素体或者铁素体基体上均匀分布着碳化物颗粒的组织结构。正是由于在表层有铁素体和碳化物，特别是铁素体的出现，而使表层的形变加工硬化能力大幅度降低，从而改善了高锰钢在切削加工时的表面粗糙度，提高了高锰钢的切削加工性能。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，包括对普通高锰钢或合金化的高锰钢制件整体进行水韧处理或水韧处理后加低温时效处理的步骤，其特征在于还包括对高锰钢表面进行切削加工的表层加热到600～960℃，并依加热方法及加热温度不同保温0.5秒～4小时进行表面时效处理后，再进行切削加工的步骤。

所述的表面加热方法可以采用火焰加热、电接触加热、感应加热、辐射加热和/或激光加热方式中的任一种来实现。

所述的普通高锰钢和/或经过合金化的高锰钢可以为国家标准GB/T5680-1998中所规定的高锰钢或含锰量在14％～24％范围内的高锰钢以及在此基础上添加铬、钼、镍、钛、钒、硼、铝、氮、铌和/或稀土元素的钢种。

所述的高锰钢制件可以是高锰钢铸造件、锻件和/或轧制件。

本发明与现有的提高高锰钢的切削加工性能的方法相比，由于高锰钢内部的韧性不会受到损害，保证了高锰钢的使用安全性。而且不需添加任何合金元素，使得材料的成本较低。具有生产工艺简单，性能稳定等优点。因而本发明有着显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

本发明的具体实施方式是通过以下实施例来实现的。

实施例一：选用普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理后，采用履带式加热器将高锰钢表面加热到620℃保温3小时，在其表面获得奥氏体+约15％铁素体+碳化物的组织结构。在普通车床C620上进行切削加工，刀具为硬质合金刀具YW2，使用的切削用量为切削速度为v_c＝37.7m/min，切削背吃刀量a_p＝0.2mm，进给量f＝0.082mm/r进行切削实验，得到加工工件的表面粗糙度值R_a＝2.232μm。与未进行表面时效处理的试件在相同加工条件下获得的加工表面粗糙度值R_a＝2.25μm的相比较，表面粗糙度值略有降低。

实施例二：选用普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理后，采用感应加热的方式，将高锰钢表面加热到850℃保温1秒后，在其表面获得铁素体+碳化物的组织结构。在普通车床C620上进行切削加工，刀具为硬质合金刀具YW2，使用的切削用量为切削速度为v_c＝37.7m/min，切削背吃刀量α_p＝0.2mm，进给量f＝0.082mm/r进行切削实验，得到加工工件的表面粗糙度值R_a＝1.986μm。与未进行表面时效处理的试件在相同加工条件下获得的加工表面粗糙度值R_a＝2.25μm的相比较，表面粗糙度值有较大降低。

实施例三：选用在普通高锰钢化学成分的基础上，按重量百分数添加了2％铬和0.2％稀土的合金高锰钢，整体进行水韧处理后，采用履带式加热器将高锰钢表面加热到650℃保温1小时，在其表面获得奥氏体+约20％铁素体+碳化物的组织结构。在普通车床C620上进行切削加工，刀具为硬质合金刀具YW2，使用的切削用量为切削速度为v_c＝15.1m/min，切削背吃刀量a_p＝0.4mm，进给量f＝0.151mm/r进行切削实验，测得切削时的主切削力值约为325N，加工后的工件表面粗糙度值为R_a＝3.554μm。与未进行表面时效处理的试件在相同加工条件下测得切削时的主切削力值约为351N和加工表面粗糙度值R_a＝3.632μm的相比较，切削时的主切削力值和表面粗糙度值有所降低。

实施例四：选用在普通高锰钢化学成分的基础上，按重量百分数添加了2％铬和0.2％稀土的合金高锰钢，整体进行水韧处理后，采用感应加热的方式，将高锰钢表面加热到920℃保温0.5秒后，在其表面获得铁素体+碳化物的组织结构。在普通车床C620上进行切削加工，刀具为硬质合金刀具YW2，使用的切削用量为切削速度为v_c＝15.1m/min，切削背吃刀量a_p＝0.4mm，进给量f＝0.151mm/r进行切削实验，测得切削时的主切削力值约为304N，加工后的工件表面粗糙度值为R_a＝3.114μm。与未进行表面时效处理的试件在相同加工条件下测得切削时的主切削力值约为351N和加工表面粗糙度值为R_a＝3.632μm的相比较，切削时的主切削力值和表面粗糙度值有较大的降低。

实施例五：在普通车床C620上进行切削加工，选用普通高速钢刀具，刀具前角约为-6°，后角约为-8°。使用的切削用量为切削速度为v_c＝15.1m/min，切削背吃刀量a_p＝0.4mm，进给量f＝0.151mm/r。首先对普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理后进行切削加工。由于刀具磨损严重，而无法实现切削。而将普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理，尔后采用履带式加热器将高锰钢表面加热到620℃保温3小时，在其表面获得奥氏体+约15％铁素体+碳化物的组织结构后，在同样的刀具及切削条件下进行切削加工时是完全可以实现切削加工的。但得到的工件的表面质量较差，表面粗糙度值R_a大于4.5μm。并且刀具的磨损仍较严重。若将普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理，尔后采用感应加热的方式，将高锰钢表面加热到850℃保温1秒后，在其表面获得铁素体+碳化物的组织结构后，在同样的刀具及切削条件下进行切削加工时也是完全可以实现切削加工的。并且得到加工制件的表面质量较高，其表面粗糙度值约为R_a＝3.351μm。同时刀具的磨损量极小。

除了上面实施例中给出的切削加工过程中切削力明显减小和表面粗糙度值得到降低之外，通过观察还可以发现，与未进行表面时效处理的试件相比较，在加工过程中，经过表面时效处理的试件，在切削时断屑较为容易，且切屑的颜色更浅。表明经过表面时效处理的试件在切削加工的过程中产生的切削热量更小，切削温度更低。由此可见，利用本发明技术可以使高锰钢的切削加工性得到明显的改善。

Claims

1.一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，包括对普通高锰钢或合金化的高锰钢制件整体进行水韧处理或水韧处理后加低温时效处理的步骤，其特征在于还包括对高锰钢表面需要进行切削加工的表层加热到600～960℃，并依加热方法及加热温度不同保温0.5秒～4小时进行表面时效处理后，再进行切削加工的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，其特征在于所述的表面加热方法可以是火焰加热、电接触加热、感应加热、辐射加热和/或激光加热。

3.根据权利要求2所述的一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，其特征在于所述的普通高锰钢和/或经过合金化的高锰钢可以为国家标准GB/T 5680-1998中所规定的高锰钢和/或含锰量在14％～24％范围内的高锰钢以及在此基础上添加铬、钼、镍、钛、钒、硼、铝、氮、铌和/或稀土元素的钢种。

4.根据权利要求3所述的一种提高高锰钢切削加工性能的表面时效处理方法，其特征在于所述的高锰钢制件包括耐磨高锰钢的铸件、锻件和/或轧制件。