热处理工艺对20Cr钢表面粗糙度影响的试验研究

□ 郝少祥 □曲全鹏

1.河南工程学院 机械工程学院 郑州 4511912.河南工程学院 工程训练中心 郑州 451191

1 试验研究背景

在大规模机械化、自动化生产过程中,需要保证零件表面粗糙度趋于一致或稳定在设定范围内。笔者从热处理工艺方面解决问题,查阅相关文献,确认零件的表面粗糙度与零件内部的组织有关[1-4],而零件内部的组织又与所用材料的热处理工艺有关[5]。对此,以常用的20Cr钢为研究对象,在机械加工条件不变的前提下,研究20Cr钢热处理工艺与零件表面粗糙度之间的关系,通过改进20Cr钢的热处理工艺，来实现控制和稳定零件表面粗糙度这一目标,为相关生产企业提供技术支持和工艺保障。

2 试验方法

20Cr钢是企业常用的一种钢,属低碳低合金渗碳钢,常用于制造齿轮、齿轮轴、花键轴、销轴、塑料模具、钻模、专用量具、连杆、丝杠、高强度螺栓等零件[6-9]。

试验用20Cr钢取自鞍钢产的规格为φ30 mm×4 000 mm的棒材,其化学成分包括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。将原始棒材加工成规格为φ30 mm×150 mm的短圆棒,均分为五组试验坯料。五组坯料分别进行正火、退火、调质、淬火+中温回火、正火+高温回火五种热处理工艺。每组中取出一根试验坯料,加工出若干规格为φ30 mm×8 mm的薄圆片。薄圆片再经线切割,加工成规格为φ10 mm×8 mm的柱状金相试样。剩余的试验坯料留作机加工试样,分别经粗加工、半精加工、精加工处理。

采用SX-2.5-10箱式电阻炉进行热处理,采用53X正置金相显微镜进行金相组织观察并拍照,采用TR200针描式粗糙度仪测量表面粗糙度,采用HB-3000布氏硬度计测量布氏硬度,采用HR-150洛氏硬度计测量洛氏硬度。

采用CA6140车床进行切削加工。粗车削时,进刀量为2 mm,进给量为0.483 mm/r,主轴转速为650 r/min,车削长度为50 mm。半精车削时,进刀量为1 mm,进给量为0.241 mm/r,主轴转速为700 r/min,车削长度为50 mm。精车削时,进刀量为0.5 mm,进给量为0.157 mm/r,主轴转速为870 r/min,车削长度为50 mm。

3 试验情况

3.1 正火

20Cr钢经正火处理后,获得的表面粗糙度、硬度与金相组织见表1。

3.2 退火

20Cr钢经退火处理后,获得的表面粗糙度、硬度与金相组织见表2。

3.3 调质

20Cr钢经调质处理后,获得的表面粗糙度、硬度与金相组织见表3。

3.4 淬火+中温回火

20Cr钢经淬火+中温回火处理后,获得的表面粗糙度、硬度与金相组织见表4。

3.5 正火+高温回火

20Cr钢经正火+高温回火处理后,获得的表面粗糙度、硬度与金相组织见表5。

表1 20Cr钢正火处理后情况

表2 20Cr钢退火处理后情况

表3 20Cr钢调质处理后情况

表4 20Cr钢淬火+中温回火处理后情况

表5 20Cr钢正火+高温回火处理后情况

4 试验分析

将上述五种热处理工艺试验所得的表面粗糙度列于表6。由表6可知,粗车时退火处理所测得的表面粗糙度值最小,正火处理所测得的表面粗糙度值最大,其余工艺处理所测得的表面粗糙度值介于两者之间。精车与半精车时,淬火+中温回火处理所测得的表面粗糙度值最小,退火处理所测得的表面粗糙度值最大,其余工艺处理所测得的表面粗糙度值介于两者之间。

粗车时,材料的硬度与组织对材料的表面粗糙度有显著影响：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；材料的片状组织越多,表面粗糙度值越大，材料的片状组织越少,表面粗糙度值越小。精车、半精车时,材料的硬度与组织对材料表面粗糙度的影响不同于粗车时。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。细片状组织材料的表面粗糙度值大于点或颗粒状组织材料的表面粗糙度值,且低于粗片状组织材料的表面粗糙度值。

表6 不同热处理工艺表面粗糙度结果 μm

半精车时表面粗糙度值大于精车时，且小于粗车时。粗车时,材料的表面粗糙度取决于材料对刀刃的磨损程度[10-11]，材料的硬度与组织对刀刃的磨损程度有显著影响[12]。材料的硬度越高,对刀刃的磨损程度越大,表面粗糙度值越大。材料的硬度越低,对刀刃的磨损程度越小,表面粗糙度值越小[13-14]。所以，粗车时退火处理所测得的表面粗糙度值最小。在材料组织相同的情况下,片状组织越多，对刀刃的磨损程度影响越严重,表面粗糙度值越大。在材料组织不相同的情况下,片状组织对刀刃磨损程度的影响大于点或颗粒状组织[15]。因此，正火处理所测得的表面粗糙度值最大,其余工艺处理所测得的表面粗糙度值介于退火与正火之间。

精车、半精车时,材料的表面粗糙度值取决于材料的断屑能力[16]，材料的断屑能力则取决于材料自身的硬度。材料硬度越高,材料的脆性越大,断屑能力越强,表面粗糙度值越小[17]。因此，精车与半精车时,淬火+中温回火处理所测得的表面粗糙度值最小,退火处理所测得的表面粗糙度值最大,其余工艺处理所测得的表面粗糙度值介于两者之间。

半精车时切削量远小于粗车时,但高于精车时。半精车时对刀刃磨损程度的影响小于粗车时,但大于精车时。因此，半精车时的表面粗糙度值大于精车时，且小于粗车时。

5 结束语

通过试验研究可知,对20Cr钢而言,粗车时退火处理所测得的表面粗糙度值最小,正火处理所测得的表面粗糙度值最大,其余工艺处理所测得的表面粗糙度值介于两者之间。精车与半精车时,淬火+中温回火处理所测得的表面粗糙度值最小,退火处理所测得的表面粗糙度值最大,其余工艺处理所测得的表面粗糙度值介于两者之间。