CN105033098B - 一种高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉农机具的生产加工领域，具体地说是一种高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法。本发明以高强度钢板为原材料，采用冲压成形与淬火一体化工艺，同时完成耙片的淬火与压制。将机加工好的圆盘耙片坯料加热到奥氏体化温度并保温一定的时间后，迅速转入成形模具中，将坯料冲压成形，且坯料在模具中迅速冷却到材料的马氏体开始转变温度(Ms)以下，同时完成成形和淬火。采用本发明生产的圆盘耙片，其生产工艺简化，无淬火污染，成本低。抗拉强度达到1600MPa以上，硬度48～52HRC，冲击韧性(ak)达到20J/cm2以上，性能远优于目前国内大量使用的65Mn耙片，且耙片的尺寸精度高，圆跳动小。
Description
技术领域：
本发明涉农机具的生产加工领域，具体地说是一种高强度、高韧性、耐磨圆盘(犁)耙片的制造方法。
背景技术：
圆盘耙是一种机械化耕地机械，其根据耙耕作的原理以成组的凹面圆盘为工作部件，耙片刃口平面同地面垂直并与机组前进方向有一可调节的偏角。作业时在拖拉机牵引力和土壤反作用力作用下耙片滚动前进，耙片刃口切入土中，切断草根和作物残茬，并使土垡沿耙片凹面上升一定高度后翻转下落。作业时能把地表的肥料、农药等同表层土壤混和，普遍用于作物收获后的浅耕灭茬、早春保墒和耕翻后的碎土等作业，也可用作飞机播种后的盖种作业。
圆盘耙片种类很多，按照圆盘耙耙片的直径来分主要有以下三种：一是重型圆盘耙：其耙片直径为660mm，这种圆盘耙主要用于比较粘的土壤，耙深可达18cm左右；二是轻型圆盘耙：其耙片直径为460mm，用于不太粘的沙壤土或轻质土壤，耙深10cm左右；三是中型圆盘耙：其耙片直径为560mm，一般用在普通的土壤，其耙深介于重型圆盘耙和轻型圆盘耙之间。圆盘耙片是工作对象是土壤和作物根茎，工作条件恶劣，磨损严重；同时还承受扭曲疲劳，是主要磨损易耗件。
国内目前主要采用65Mn或60Si2Mn等弹簧钢板来生产圆盘耙片，其生产工艺流程如下：
下料(方料)－冲方孔－冲剪外圆－铣外圆刃－冲缺口－铣缺口刃－加热－压形－余热淬火－回火－喷漆－包装入库。
由于弹簧钢的淬透性差，且含碳量高，淬火裂纹敏感性高，只能采用油浴淬火，然后回火的方式热处理，材料的硬度可以达到50～60HRC，但由于圆盘耙片是一个凹面圆盘，在加热和淬火过程中，很容易变形，圆面扭曲，造成报废，所以目前国内生产企业采用冲压余温淬火工艺，损失材料的硬度来保证圆盘耙片的尺寸精度。目前圆盘耙片的生产工艺有如下不足：
(1)耙片的硬度低，只能达到38～48HRC，耐磨性和刚度不足；
(2)油浴淬火，环境污染大，工作条件差；
根据在东北地区的调研，目前国产耙片的性能良莠不齐，较好的耙片硬度能达到40～45HRC，基本可用；差的耙片硬度只有30HRC，耐磨性很差，且刚度低，工作时稍有石块碰上，就变形报废，根本就不能使用，耽误农时，给用户造成损失。采用新工艺、新材料生产出优质圆盘耙片，提高其使用寿命，可以大大降低耕种成本，节能增效，对我国农业的发展具有重要意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，既保证耙片的力学性能，又能保证耙片的尺寸精度、形位公差，且工艺简化、可操作性强。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，将机加工好的圆盘耙片坯料加热到奥氏体化温度并保温时间后，转入成形模具中，将坯料冲压成形，且坯料在模具中冷却到材料的马氏体开始转变温度Ms以下，同时完成成形和淬火。
所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，圆盘耙片坯料为锰硼钢板，按重量百分比计，其化学成分为：C0.20～0.35，Mn1.0～1.8，Si0.17～0.37，Cr<0.4，Ti<0.08，V<0.08，Al<0.06，P<0.035，S<0.035，B0.0008～0.0040，余为Fe。
所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，成形模具采用铜合金制造，且模具内部分布冷却水槽。
所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，成形模具包括上连接件、凹模、上冷却铜板、定位杆、下冷却铜板、冷却水槽Ⅰ、凸模、下连接件、定位孔、冷却水槽Ⅱ，具体结构如下：
凹模和凸模上下相对设置，凹模的顶部设置上连接件，凹模的底部设置上冷却铜板，凹模下表面均匀布置冷却水槽Ⅱ，凸模的底部设置下连接件，凸模的顶部设置下冷却铜板，凸模上表面均匀布置冷却水槽Ⅰ；凸模中心穿设用于安放坯料的定位杆，凹模中心开设与定位杆对应的定位孔。
所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，铜合金的种类、冷却水槽的尺寸和分布决定所成形坯料的冷却速度，以保证坯料的冷却速度在30K/s以上。
所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，奥氏体化温度为880～930℃，保温时间为5～20分钟，薄板材取下限，厚板材取上限。
所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，根据需要在淬火后进行回火处理，温度为180～250℃，保温时间为1～2小时，空冷。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明以高强度钢板为原材料，采用冲压成形与淬火一体化工艺，同时完成耙片的淬火与压制。使用的冲压成形模具由高导热的铜合金制造而成，且模具内部分布冷却水槽。压制时，加热到奥氏体化温度之上的钢板，被迅速放入模具中，模具上型立即下压合模，热态下对板材冲压成形，此时板材热量经高导热的铜合金模具导出，并被冷却水带走，板材的温度迅速被冷却到马氏体开始转变温度(Ms)以下，冷却速度达到30K/s以上，高于锰硼钢的临界冷却速度，钢板在成形模具内完成淬火。
2、采用本发明的工艺方法生产耙片的尺寸精度高，一致性好。
3、采用本发明的工艺方法生产耙片的力学性能高，耐磨性好，质量稳定。
4、本发明工艺简化，可操作性好，无污染。
附图说明：
图1为热压－水冷模具示意图。图中，1上连接件；2凹模；3上冷却铜板；4定位杆；5下冷却铜板；6冷却水槽Ⅰ；7凸模；8下连接件；9定位孔；10冷却水槽Ⅱ；11坯料。
图2为上料示意图。
图3为热压、淬火示意图。
图4为开模取料示意图。
具体实施方式：
在具体实施方式中，本发明采用高淬透性的硼钢为原料，以水冷铜模为成形压制模具，在高温下(高于板材的奥氏体化温度)下成形，同时通过模具热传导将热量快速导出，使板材的温度迅速下降(冷却速度30K/s以上)，在极短的时间内冷却到材料的马氏体开始转变温度(Ms)以下，在模具内完成由奥氏体到马氏体的转变。其生产工艺流程如下：
板材裁切—机加工外缘刃－冲内孔－冲缺口－加热－热压成形、淬火－回火－表面清理－喷漆－包装入库。
本发明的技术关键之一是选用硼钢作为原材料生产耙片。硼钢是以微量硼作为合金元素、借助其提高淬透性的作用而改善钢的性能和节省合金元素的一种合金结构钢。硼是硼钢中最重要的合金元素，它的最主要的作用是提高钢的淬透性，因而可以增大钢材的可淬透尺寸，或者提高淬火后钢材截面内组织和性能的均匀性。
硼是改善钢材淬透性能最高效的合金元素，大约在1921年第一次发现硼在钢中的淬透性效果；到1935年左右在实际生产中验证了硼的这种作用，并找到加硼的正确方法；1937年硼钢正式进入工业生产和实际应用阶段。
硼提高淬透性的作用具有许多不同于其他合金元素的特点。主要有：
(1)提高淬透性的能力极强。0.0010％～0.0030％硼的作用可分别相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，因此其提高淬透性的能力为上述合金元素的几百倍乃至上千倍，故此只需极少量硼即可节约大量的贵重合金元素。
(2)具有最佳含量而且此含量极小。一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而增长，但硼却有一个最佳含量(范围)，过多或过少均对提高淬透性不利，而且此量很小，约为0.0010％，一般控制在0.0005％～0.0050％。
(3)硼的淬透性效果与钢的成分有关。普遍认为钢中的碳和合金元素含量提高，硼提高淬透性的作用则下降。除硼外，硼钢中还经常加入一些其他合金化元素，如：硅、锰、铬、钼、铌、钒等，目的是进一步改善钢的淬透性及其他一些性能，如：强度、韧性、回火脆性、疲劳性能、耐蚀性等。
在本发明中，选用的硼钢为中碳、低合金锰硼钢，具体成分(wt％)如下：
C0.20～0.35，Mn1.0～1.8，Si0.17～0.37，Cr<0.4，Ti<0.08，V<0.08，Al<0.06，P<0.035，S<0.035，B0.0008～0.0040，余为Fe。锰硼钢经过淬火和回火(或不回火)处理，具有高强度、高韧性、高耐磨性，可用于制造各种耐磨件。
本发明的另一个技术关键是采用铜合金内设冷却水槽来制造热压模具，以提高模具的冷却速度，保证在热压成形的同时，对压制的耙片强制冷却，使其冷却速度达到该合金的临界冷却速度(30K/s以上)，获得完全马氏体组织的耙片。在模具内完成淬火处理，即保证成形产品的尺寸精度，又达到淬火的效果，且生产效率高，污染少，生产环境大大改善。
如图1所示，本发明采用的热压－水冷模具主要包括：上连接件1、凹模2、上冷却铜板3、定位杆4、下冷却铜板5、冷却水槽Ⅰ6、凸模7、下连接件8、定位孔9、冷却水槽Ⅱ10等，具体结构如下：
凹模2和凸模7上下相对设置，凹模2的顶部设置上连接件1，凹模2的底部设置上冷却铜板3，凹模2下表面均匀布置冷却水槽Ⅱ10，凸模7的底部设置下连接件8，凸模7的顶部设置下冷却铜板5，凸模7上表面均匀布置冷却水槽Ⅰ6。另外，凸模7中心穿设用于安放坯料11的定位杆4，凹模2中心开设与定位杆4对应的定位孔9。
如图1-图4所示，本发明热压模具的工作过程如下：
(1)凹模2、定位杆4复位，模具清理，冷却水打开；
(2)将加热保温好的坯料11取出，迅速放入模具中，定位杆4穿入坯料11中心孔定位，见图2；
(3)凹模2下行，凹模2和凸模7合模，对坯料11压制成形，坯料11与铜模(上冷却铜板3、下冷却铜板5)紧紧贴合；坯料11的热量经铜模导出，并被冷却水带走，坯料11温度快速冷却到Ms点以下，完成淬火和成形，见图3；
(4)保压2～3分钟，开模，凹模2上行，定位杆4顶出，取出制件，完成一个工作循环，见图4。
下面通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例的圆盘耙片采用6.5mm厚锰硼钢板，其化学成分(wt％)如下：
生产工序如下：
(1)等离子体下料，Ф675mm圆盘；
(2)冲床，中心冲41mm方孔；
(3)车床，机加工边缘刃；
(4)冲床，冲边缘11个缺口；
(5)加热炉，坯料加热到900℃，保温15分钟；
(6)热压，从加热炉中取出坯料，放入模具中，立即开动液压机压制成形；从坯料取出到压制完成时间不能超过25秒；
(7)压制完成后，保压2分钟，开模，定位杆顶起，取出制件，一个热压生产周期完成。
(8)回火，200℃回火1小时，空冷。
实施例1生产的耙片性能如下：
实施例2
本实施例的圆盘耙片采用6.5mm厚锰硼钢板，其化学成分(wt％)如下：
与实施例1不同之处在于，生产工序中的步骤(5)坯料加热温度920℃，保温15分钟，其余工序相同。
实施例2生产的耙片性能如下：
实施例结果表明，采用本发明工艺生产的圆盘耙，抗拉强度达到1600MPa以上，硬度48～52HRC，冲击韧性(ak)达到20J/cm2以上，性能远优于目前国内大量使用的65Mn耙片，且耙片的尺寸精度高，圆跳动小。其生产工艺简化，无淬火污染，成本低。
Claims (2)
1.一种高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，其特征在于：将机加工好的圆盘耙片坯料加热到奥氏体化温度并保温时间后，转入成形模具中，将坯料冲压成形，且坯料在模具中冷却到材料的马氏体开始转变温度Ms以下，同时完成成形和淬火；
圆盘耙片坯料为锰硼钢板，按重量百分比计，其化学成分为：C0.20～0.35，Mn1.0～1.8，Si0.17～0.37，Cr<0.4，Ti<0.08，V<0.08，Al<0.06，P<0.035，S<0.035，B0.0008～0.0040，余为Fe；
成形模具采用铜合金制造，且模具内部分布冷却水槽；成形模具包括上连接件、凹模、上冷却铜板、定位杆、下冷却铜板、冷却水槽Ⅰ、凸模、下连接件、定位孔、冷却水槽Ⅱ，具体结构如下：
凹模和凸模上下相对设置，凹模的顶部设置上连接件，凹模的底部设置上冷却铜板，凹模下表面均匀布置冷却水槽Ⅱ，凸模的底部设置下连接件，凸模的顶部设置下冷却铜板，凸模上表面均匀布置冷却水槽Ⅰ；凸模中心穿设用于安放坯料的定位杆，凹模中心开设与定位杆对应的定位孔；
铜合金的种类、冷却水槽的尺寸和分布决定所成形坯料的冷却速度，以保证坯料的冷却速度在30K/s以上；
奥氏体化温度为880～930℃，保温时间为5～20分钟。
2.按照权利要求1所述的高强度、高韧性、耐磨圆盘耙片的制造方法，其特征在于：根据需要在淬火后进行回火处理，温度为180～250℃，保温时间为1～2小时，空冷。
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