專利名稱：一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方法，特別是將整 體經(jīng)過水韌處理和/或水韌處理加低溫時效處理的高錳鋼，采用表面加熱的方法 對其表面進(jìn)行時效處理。表面時效處理后，高錳鋼的表層組織由原始的奧氏體 基體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和/或鐵素體基體上均勻分布著碳化物顆粒的組織結(jié)構(gòu)，而內(nèi) 部仍為具有高形變強(qiáng)化能力的奧氏體組織。由于表層組織形變強(qiáng)化能力的降低， 從而提高了高錳鋼在切削加工中的切削加工性能。屬于耐磨材料的切削加工領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
以ZGMnl3為代表的高錳鋼通常是在先整體加熱到1000 °C左右保溫，隨 后水韌處理得到單相奧氏體和/或水韌處理加低溫時效處理得到奧氏體加少量碳 化物的組織狀態(tài)下使用，由于高錳鋼中的奧氏體比較穩(wěn)定,并具有良好的塑性和 韌性，裂紋擴(kuò)展速率很低，因而高錳鋼在使用時非常安全可靠。
高錳鋼由于具有在較大沖擊載荷或接觸應(yīng)力作用下，其表層奧氏體能夠迅 速產(chǎn)生加工硬化，使表層硬度急劇升高的特性，因而在抵抗強(qiáng)沖擊、大應(yīng)力作 用下的磨料磨損或鑿削磨損方面，其耐磨性是其他材料所無法比擬的。因此， 高錳鋼長期以來得以廣泛地應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機(jī) 械裝備中，如破碎機(jī)錘頭、齒板、軋臼壁、挖壁機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板、鐵路道 岔等。
但正是由于高錳鋼這種非常高的表面形變強(qiáng)化能力，使得高錳鋼在切削加 工過程中，在切削刀具的作用下，其表層的切削部位會迅速產(chǎn)生加工硬化，而 使切削加工性能急劇降低，導(dǎo)致了材料很難進(jìn)一步切削加工，因此，高錳鋼在 以前被認(rèn)為是不可加工的材料， 一般只限于鑄件。隨著近幾十年來刀具材料的 迅速發(fā)展，如硬質(zhì)合金刀具以及新型的復(fù)合材料陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、 金剛石刀具等在生產(chǎn)中的應(yīng)用，使得高錳鋼的切削加工成為可能。但由于高錳鋼的難切削加工性，而使其加工效率極低，刀具壽命短，刀具材料消耗嚴(yán)重， 加工成本高，因此，為了提高高錳鋼的切削加工性能，提高高錳鋼的加工效率， 人們已經(jīng)在此方面開展了廣泛深入的研究，并取得了許多研究成果，使高錳鋼 的切削加工性能有了較大的提高
1、 選擇先進(jìn)的刀具材料和優(yōu)化切削加工條件
針對高錳鋼表面的加工硬化現(xiàn)象，切削高錳鋼時一般選用硬度和紅硬性高、 耐磨性好，并有較高強(qiáng)度、韌性和3熱系數(shù)的刀具材料，如在生產(chǎn)實際中較 為廣泛地采用硬質(zhì)合金刀具來加工高錳鋼。而公開號為CN1148580的《復(fù)相陶 瓷刀具材料及其加工工藝》和公開號為CN85100177的《高耐磨性高韌性氮化硅 基陶瓷刀具材料》則分別開發(fā)出了用于加工難加工材料的氧化鋁(A1A)基和氮 化硅(SiN)基陶瓷刀具材料及其加工工藝。公開號為CN1271706《高耐磨性復(fù)合 金屬陶瓷刀具材料》開發(fā)出了采用碳氮化鈦Ti (CN)作為主相，采用Si3N4—A1203 作為復(fù)合耐磨相，以金屬粘結(jié)相及氧化物和碳化物作為添加劑，經(jīng)過混合成型 燒結(jié)的陶瓷材料刀具，用丁加工難加工材料的新型刀具。
并且針對高錳鋼切削力大和導(dǎo)熱性能差的特點，選擇合理的刀具兒何角度 參數(shù)以及在刀具材料一定的條件下，選擇最佳的切削加工條件，也能達(dá)到改善 高錳鋼切削加工性能的目的。
2、 磁化切削
在磁化切削過程中，將磁化線圈繞于刀具上，通過給線圈通電使其磁化，或 直接使用經(jīng)過磁化處理的刀具來進(jìn)行切削加丁。經(jīng)磁化切削后丁件表面的粗糙 度值減小，而刀具耐用度明顯提高。
3、 低溫切削
在切削過程中，用液體氮(-196°C )、液休二氧化碳(-76°C )及其他低溫 液體切削液來冷卻刀具或工件，以保證切削過程順利進(jìn)行。這種切削方法可有 效控制切削溫度，減少刀具磨損，提高刀具耐用度，提高加工精度、表面質(zhì)量 和生產(chǎn)率。
4、 加熱切削
加熱切削是在難切削材料的切削加工過程中，通過某種加熱方式(感應(yīng)加 熱、電弧加熱、激光加熱、等離于加熱、通電加熱等)使材料的切削部位被加 熱，并在熱態(tài)下對零件進(jìn)行切削加工的一種方法。此方法是利用難切削材料在被加熱狀態(tài)下，其硬度、強(qiáng)度將由于溫度的升高而下降的原理，來達(dá)到減少切 削力，提高刀具的耐用度和生產(chǎn)率，以及改善切削加工表面粗糙度的H的。公
開號為CN1077405的《聚光加熱切削工藝及其聚光裝置》報道了一種聚光加熱 切削工藝，是將聚光加熱裝置安裝在機(jī)床上，切削時啟動光源，使光源的輻射 光聚焦在工件的待加工表面上，進(jìn)行加熱切削，提高了材料的切削加工性能。 5、整體加熱進(jìn)行高溫回火處理
高錳鋼加工之前，對其整體進(jìn)行高溫回火，即將高錳鋼整體加熱至600 650 °C，保溫2小時以上再冷卻，使高錳鋼奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織，然后再 進(jìn)行切削加工，此時高錳鋼的加工硬化現(xiàn)象大大減弱，有效地改善了切削加工 性能，然后再對其進(jìn)行水韌處理，使其重新變?yōu)閱我坏膴W氏體組織。
綜上所述，選擇先進(jìn)的刀具材料和優(yōu)化切削加工條件、磁化切削、低溫切 削、加熱切削、整體加熱進(jìn)行高溫冋火處理等方法，對于提高高錳鋼的切削加 工性能來說都是卓有成效的。但不論那種方法，它們在選材和生產(chǎn)方法上都存 在著一些較大的弊端。對于選擇合理的刀具材料和優(yōu)化切削加工條件的方法來 說，它要求的刀具材料必須是價格昂貴的超硬或超超硬材料，如硬質(zhì)合金刀 具和陶瓷刀具等，這樣勢必造成加工成本的提高。對于磁化切削、低溫切削和 加熱切削來說，必須在材料的加工設(shè)備上增加一套附加的磁化、制冷或加熱設(shè) 備，以便在材料表面或者刀具被磁化、制冷或加熱的過程中就能直接進(jìn)行切削 加工。這樣不但增加了附加的設(shè)備和加工成本，而且還會給加工過程中帶來許 多不便，降低了生產(chǎn)效率。特別是對于加熱切削的方法，由于是在高溫瞬間加 熱狀態(tài)下對材料進(jìn)行切削，因而切削刀具也會不可避免地被加熱而使其耐用度 受到影響。而對于高錳鋼整體高溫回火法的方法來說，雖然切削加工性能得到 了提高，但是其處理方法過分的繁瑣，以及切削加工后還需進(jìn)行進(jìn)一歩的水韌 處理來重新獲得單一的奧氏體組織而將可能引起由于重新加熱而引起的像零件 的淬火變形、表面脫碳等加熱缺陷的出現(xiàn)。因此，為了提高高錳鋼的切削加工 性，在保證高錳鋼本身具有韌性好、承載硬化高、耐磨性好等性能優(yōu)勢不受到 損害的條件下，開發(fā)一種簡單有效以及生產(chǎn)成本低廉的生產(chǎn)方法來提高高錳鋼 的切削加工性是完全必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，在生產(chǎn)方法和工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，旨在對經(jīng)過水韌處理和/或水韌處理加低溫時效處理的高錳鋼，在切削加 工之前，采用表面加熱的方法對其表層進(jìn)行時效處理，使高錳鋼制件表面需要 切削加工部分的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)由具有高加工硬化能力的原始奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)?較低加工硬化能力的奧氏體和/或鐵素體加碳化物的組織結(jié)構(gòu)從而提高了高錳鋼 的切削加工性能。本發(fā)明與加熱切削的方法相比，雖然都能提高高錳鋼的切削 性能，但不論是在加工方法的原理上，還是在加熱規(guī)范以及加工工序上均存在 有明顯的差別。在加工方法的原理上，加熱切削法是利用了所有金屬材料在溫 度升高時其硬度、強(qiáng)度下降的特性來達(dá)到提高包括高錳鋼在內(nèi)的難切削材料的 切削加工性能的；而本發(fā)明是利用高錳鋼表層經(jīng)過加熱到一定溫度并保溫一段
時間的時效處理后，其表層內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變——由具有高加工硬化 能力的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低加工硬化能力的奧氏體和/或鐵素體加碳化物組織 ——來達(dá)到提高高錳鋼的切削加工性能的。在加熱規(guī)范上，加熱切削法是將材 料的切削部位加熱到所需的溫度，爾后馬上在熱態(tài)下進(jìn)行切削，而對在加熱溫 度上進(jìn)行一段時間的保溫則沒有要求。只要切削加工時切削刀具前端切削部位
的溫度達(dá)到所需的溫度即可；而本發(fā)明不但加熱溫度需要超過60(TC，甚至可以 達(dá)到960。C，而且還需要在加熱的溫度上進(jìn)行一段時間的保溫。其保溫時間的長 短則必須根據(jù)表面時效處理時的具體加熱溫度能夠達(dá)到所需要的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu) 的轉(zhuǎn)變量來確定。 一般地，表面時效處理時的加熱溫度越高，組織轉(zhuǎn)變將越快， 因而所需的保溫時間可以越短。而在加工工序上，加熱切削法必須是材料的加 熱與切削加工同步進(jìn)行；而本發(fā)明是作為切削加工的前道工序來進(jìn)行。即使 在切削加工的過程中，經(jīng)表面時效加熱處理后的高錳鋼表層的溫度不在所要求 的時效加熱溫度范圍內(nèi)也不會影響其切削加工性能。
由于本發(fā)明僅僅對需要切削加工的高錳鋼表層進(jìn)行表面時效處理，而使得 切削加工后的高錳鋼的內(nèi)部基本上沒有發(fā)生組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，仍為韌性較高、且 具有高加工硬化能力的奧氏體組織，因而保持了高錳鋼原有的性能優(yōu)勢。由此 可見，本發(fā)明在高錳鋼的切削加工上將具有更為廣泛的應(yīng)用前景。
本發(fā)明雖然與申請?zhí)枮?00610155835.X的《提高高錳鋼初期耐磨性的表面 時效處理方法》在權(quán)利要求上除了在加熱溫度范圍和保溫時間上稍有差異外，但 工藝過程及加工件內(nèi)部組織變化的實質(zhì)完全不同。《提高高錳鋼初期耐磨性的表 面時效處理方法》的實質(zhì)是高錳鋼經(jīng)過表面時效處理后，在表層獲得奧氏體基體上均勻彌散分布著細(xì)小的碳化物硬質(zhì)點的組織結(jié)構(gòu)，由于碳化物硬質(zhì)點在奧氏體 基體上起著硬化的作用，而使高錳鋼表面硬度提高，從而提高了高錳鋼在使用初 期的耐磨性能。而本發(fā)明的實質(zhì)是通過高錳鋼經(jīng)過表面時效處理后，表層的組織 結(jié)構(gòu)由原始的奧氏體組織部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體加碳化物組織，而獲得奧氏 體和鐵素體或者鐵素體基體上均勻分布著碳化物顆粒的組織結(jié)構(gòu)。正是由于在表 層有鐵素體和碳化物，特別是鐵素體的出現(xiàn)，而使表層的形變加工硬化能力大 幅度降低，從而改善了高錳鋼在切削加工時的表面粗糙度，提高了高錳鋼的切 削加工性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的
一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方法，包括對普通高錳鋼或合 金化的高錳鋼制件整體進(jìn)行水韌處理或水韌處理后加低溫時效處理的步驟，其
特征在于還包括對高錳鋼表面進(jìn)行切削加工的表層加熱到600 960°C，并依加熱 方法及加熱溫度不同保溫0.5秒 4小時進(jìn)行表面時效處理后，再進(jìn)行切削加工 的步驟。
所述的表面加熱方法可以采用火焰加熱、電接觸加熱、感應(yīng)加熱、輻射加 熱和/或激光加熱方式中的任一種來實現(xiàn)。
所述的普通高錳鋼和/或經(jīng)過合金化的高錳鋼可以為國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5680-1998)中所規(guī)定的高錳鋼或含錳量在14% 24%范圍內(nèi)的高錳鋼以及在此 基礎(chǔ)上添加鉻、鉬、鎳、鈦、釩、硼、鋁、氮、鈮和/或稀土元素的鋼種。
所述的高錳鋼制件可以是高錳鋼鑄造件、鍛件和/或軋制件。
本發(fā)明與現(xiàn)有的提高高錳鋼的切削加工性能的方法相比，由于高錳鋼內(nèi)部 的韌性不會受到損害，保證了高錳鋼的使用安全性。而且不需添加任何合金元 素，使得材料的成本較低。具有生產(chǎn)工藝簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。因而本發(fā)明 有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
具體實施例方式
本發(fā)明的具體實施方式
是通過以下實施例來實現(xiàn)的。
實施例一選用普通化學(xué)成分的高錳鋼鑄件，整體進(jìn)行水韌處理后，采用
履帶式加熱器將高錳鋼表面加熱到62(TC保溫3小時，在其表面獲得奧氏體+約 15%鐵素體+碳化物的組織結(jié)構(gòu)。在普通車床C620上進(jìn)行切削加工，刀具為硬 質(zhì)合金刀具YW2，使用的切削用量為切削速度為^〃37.7m/min，切削背吃刀量 二0.2柳m，進(jìn)給量y^0.082mm/r進(jìn)行切削實驗，得到加工工件的表面粗糙度值 i a=2.232pm。與未進(jìn)行表面時效處理的試件在相同加工條件下獲得的加工表面 粗糙度值i 。 =2.25,的相比較，表面粗糙度值略有降低。
實施例二選用普通化學(xué)成分的高錳鋼鑄件，整體進(jìn)行水韌處理后，采用 感應(yīng)加熱的方式，將高錳鋼表面加熱到850。C保溫1秒后，在其表面獲得鐵素體 +碳化物的組織結(jié)構(gòu)。在普通車床C620上進(jìn)行切削加工，刀具為硬質(zhì)合金刀具 YW2，使用的切削用量為切削速度為^-37.7m/min，切削背吃刀量 =0.2畫，進(jìn) 給量/^0.082mm/r進(jìn)行切削實驗，得到加工工件的表面粗糙度值i 。 =1.986,。與 未進(jìn)行表面時效處理的試件在相同加工條件下獲得的加工表面粗糙度值 i 。 =2.25pm的相比較，表面粗糙度值有較大降低。
實施例三選用在普通高錳鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，按重量百分?jǐn)?shù)添加了2% 鉻和0.2%稀土的合金高錳鋼，整體進(jìn)行水韌處理后，采用履帶式加熱器將高錳 鋼表面加熱到65(TC保溫1小時，在其表面獲得奧氏體+約20%鐵素體+碳化物 的組織結(jié)構(gòu)。在普通車床C620上進(jìn)行切削加工，刀具為硬質(zhì)合金刀具YW2，使 用的切削用量為切削速度為v^l5.1m/min，切削背吃刀量^ =0.4mw ，進(jìn)給量 /二0.151mm/r進(jìn)行切削實驗，測得切削時的主切削力值約為325N，加工后的工件 表面粗糙度值為i 。 =3.55~m。與未進(jìn)行表面時效處理的試件在相同加工條件下 測得切削時的主切削力值約為351N和加工表面粗糙度值i 。 =3.632,的相比較， 切削時的主切削力值和表面粗糙度值有所降低。
實施例四選用在普通高錳鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，按重量百分?jǐn)?shù)添加了2% 鉻和0.2%稀土的合金高錳鋼，整體進(jìn)行水韌處理后，采用感應(yīng)加熱的方式，將 高錳鋼表面加熱到92(TC保溫0.5秒后，在其表面獲得鐵素體+碳化物的組織結(jié) 構(gòu)。在普通車床C620上進(jìn)行切削加工，刀具為硬質(zhì)合金刀具YW2,使用的切削 用量為切削速度為Vc"5.1m/min，切削背吃刀量 =0.4附附，進(jìn)給量/ = 0.151mm/r進(jìn) 行切削實驗，測得切削時的主切削力值約為304N，加工后的工件表面粗糙度值 為i 。 =3.11 m 。與未進(jìn)行表面時效處理的試件在相同加工條件下測得切削時的 主切削力值約為351N和加工表面粗糙度值為i 。3.632pm的相比較，切削時的主 切削力值和表面粗糙度值有較大的降低。
實施例五在普通車床C620上進(jìn)行切削加工，選用普通高速鋼刀具，刀具 前角約為-6°，后角約為-8° 。使用的切削用量為切削速度為、^5.1m/min，切削背
8吃刀量 =0.4附附，進(jìn)給量/;0.151mm/r。首先對普通化學(xué)成分的高錳鋼鑄件，整 體進(jìn)行水韌處理后進(jìn)行切削加工。由于刀具磨損嚴(yán)重，而無法實現(xiàn)切削。而將 普通化學(xué)成分的高錳鋼鑄件，整體進(jìn)行水韌處理，爾后采用履帶式加熱器將高 錳鋼表面加熱到62(TC保溫3小時，在其表面獲得奧氏體+約15%鐵素體+碳化 物的組織結(jié)構(gòu)后，在同樣的刀具及切削條件下進(jìn)行切削加工時是完全可以實現(xiàn) 切削加工的。但得到的工件的表面質(zhì)量較差，表面粗糙度值^大于4.5iim。并 且刀具的磨損仍較嚴(yán)重。若將普通化學(xué)成分的高錳鋼鑄件，整體進(jìn)行水韌處理， 爾后采用感應(yīng)加熱的方式，將高錳鋼表面加熱到85(TC保溫1秒后，在其表面獲 得鐵素體+碳化物的組織結(jié)構(gòu)后，在同樣的刀具及切削條件下進(jìn)行切削加工時 也是完全可以實現(xiàn)切削加工的。并且得到加工制件的表面質(zhì)量較高，其表面粗 糙度值約為i 。 = 3.351pm 。同時刀具的磨損量極小。除了上面實施例中給出的切削加工過程中切削力明顯減小和表面粗糙度值 得到降低之外，通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)，與未進(jìn)行表面時效處理的試件相比較， 在加工過程中，經(jīng)過表面時效處理的試件，在切削時斷屑較為容易，且切屑的 顏色更淺。表明經(jīng)過表面時效處理的試件在切削加工的過程中產(chǎn)生的切削熱量 更小，切削溫度更低。由此可見，利用本發(fā)明技術(shù)可以使高錳鋼的切削加工性 得到明顯的改善。
權(quán)利要求
1、一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方法，包括對普通高錳鋼或合金化的高錳鋼制件整體進(jìn)行水韌處理或水韌處理后加低溫時效處理的步驟，其特征在于還包括對高錳鋼表面需要進(jìn)行切削加工的表層加熱到600～960℃，并依加熱方法及加熱溫度不同保溫0.5秒～4小時進(jìn)行表面時效處理后，再進(jìn)行切削加工的步驟。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方 法，其特征在于所述的表面加熱方法可以是火焰加熱、電接觸加熱、感應(yīng)加熱、 輻射加熱和/或激光加熱。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方 法，其特征在于所述的普通高錳鋼和/或經(jīng)過合金化的高錳鋼可以為國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5680-1998)中所規(guī)定的高錳鋼和/或含錳量在14% 24%范圍內(nèi)的高錳 鋼以及在此基礎(chǔ)上添加鉻、鉬、鎳、鈦、釩、硼、鋁、氮、鈮和/或稀土元素的 鋼種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方 法，其特征在于所述的高錳鋼制件包括耐磨高錳鋼的鑄件、鍛件和/或軋制件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高高錳鋼切削加工性能的表面時效處理方法，包括對普通高錳鋼或合金化的高錳鋼制件整體進(jìn)行水韌處理或水韌處理后加低溫時效處理的步驟，其特征在于還包括對高錳鋼表面需要進(jìn)行切削加工的表層加熱到600～960℃，并依加熱方法及加熱溫度不同保溫0.5秒～4小時進(jìn)行表面時效處理后，再進(jìn)行切削加工的步驟。與現(xiàn)有高錳鋼切削加工方法相比較，本發(fā)明在保證高錳鋼內(nèi)部的韌性不受損害的情況下，提高了高錳鋼的切削加工性能，具有生產(chǎn)工藝簡單、切削加工性能穩(wěn)定等特點，適宜在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。
文檔編號C21D9/00GK101215623SQ20071015932
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者丁志敏, 李寶良, 亮 楊 申請人:大連交通大學(xué)