鎖鉤氣割加工問題與對策研究

邵 瑜

(天津鐵路信號有限責(zé)任公司，天津 300300)

數(shù)控火焰切割機(jī)有切割厚度大的碳鋼能力，切割效率較高、切割成本較低。一種45鋼鎖鉤零件，其結(jié)構(gòu)呈鉤形，自由鍛鍛打成型后采用數(shù)控火焰切割機(jī)切割外形，大大提高了生產(chǎn)效率，而且生產(chǎn)成本較低。通過對鎖鉤氣割后進(jìn)行正火處理，分析調(diào)質(zhì)處理后熱影響區(qū)金相組織、晶粒度，確定了合理的工藝路線。氣割前留加工余量，氣割后采用正火處理、去除加工余量等方法可以消除氣割帶來的不利影響。

1 鎖鉤外形加工方式的選擇

鎖鉤毛坯為自由鍛造，厚度為58 mm，周邊單面留余量20～30 mm。由于結(jié)構(gòu)呈鉤形，要去除掉這么大的加工余量靠機(jī)械加工的方式是很費(fèi)時(shí)且不經(jīng)濟(jì)的。因此，選擇采用氣割方式去除鎖鉤周邊較大的余料。

在機(jī)械加工過程中，氣割下料是一種加工手段，這種加工方法不但可以降低生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率，設(shè)備簡單，操作靈活，適于各種零件的外形加工。

2 鎖鉤的氣割工藝性分析

45鋼鎖鉤結(jié)構(gòu)呈鉤形，工藝加工流程為：自由鍛(厚度為58 mm，周邊單面留余量20～30 mm)→氣割外形(留余量5 mm)→正火處理→粗銑上下平面→調(diào)質(zhì)處理→銑上下平面成活。

2.1 45鋼的氣割工藝性

45鋼化學(xué)成分見表1，含碳量為0.42%～0.50%，屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，在零界點(diǎn)以上加熱，空冷后得到正火組織、水冷高溫回火后得到調(diào)質(zhì)組織。由于氣割時(shí)瞬間加熱溫度遠(yuǎn)高于正火加熱，致使所切割零件表面有硬化傾向而產(chǎn)生淬火組織、粗大魏氏組織等[1]。氣割后存在淬硬區(qū)和過熱區(qū)，且對機(jī)械性能有很大影響，氣割造成屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊性能的下降。因此，氣割后的淬硬區(qū)和過熱區(qū)必須加工掉，不能殘留在產(chǎn)品上[2]。

表1 45鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 正火工藝

正火又稱?；?，是將工件加熱至Ac3或Acm以上30～50 ℃，保溫一段時(shí)間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻的金屬熱處理工藝。其目的是使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，消除材料的內(nèi)應(yīng)力，降低材料的硬度。

鎖鉤正火處理工藝為：850±10 ℃保溫后空冷。

鎖鉤加工工藝采用預(yù)留加工余量+正火處理+精加工去除加工余量的方式，來消除氣割帶來的不利影響。

3 試驗(yàn)方法

鎖鉤鍛打成型后進(jìn)行氣割外形，氣割時(shí)周邊留量5 mm，然后進(jìn)行正火處理。

對正火處理后的鎖鉤在不同部位截取金相試樣，在顯微鏡下觀察氣割熱影響區(qū)全貌、金相組織和晶粒度。在鎖鉤不同部位截取沖擊試樣，做沖擊試驗(yàn)，通過外形部位與心部沖擊值的對比，分析氣割對鎖鉤的熱影響程度。在成品鎖鉤上不同部位截取金相試樣在顯微鏡下觀察，進(jìn)一步驗(yàn)證最終熱處理調(diào)質(zhì)處理后，氣割對鎖鉤是否存在不利影響。

通過對氣割熱影響區(qū)的寬度、預(yù)留量5 mm、氣割后材料性能變化情況等進(jìn)行研究和分析，為制定工藝路線提供依據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 氣割+正火后熱影響區(qū)的組織及寬度

試驗(yàn)采用3件鎖鉤，每件鎖鉤取加工試樣3個(gè)。試樣編號為A1-1、A1-2、A1-3，分別表示在Ⅰ鎖鉤的1#、2#、3#位置取樣；試驗(yàn)編號A2-1、A2-2、A2-3，分別表示在Ⅱ鎖鉤的1#、2#、3#位置取樣；試驗(yàn)編號為A3-1、A3-2、A3-3，分別表示在Ⅲ鎖鉤的1#、2#、3#位置取樣。金相取樣位置見圖1。線切割取樣，試樣尺寸25 mm×10 mm×10 mm。

觀察所取的試樣，氣割熱影響區(qū)全貌、金相組織、晶粒度分析結(jié)果如圖2、3、4所示。

圖1 鎖鉤金相試樣取樣位置圖Fig.1 Maping location of metallographic sample of lock hook

(a)A1-1；(b) A1-2；(c)A1-3圖2 正火處理后熱影響區(qū)全貌 50×Fig.2 Complete picture of heat affected zone of lock hook after normalizing teeatment 50×

(a)A1-1；(b) A1-2；(c)A1-3圖3 正火處理后表面金相組織 500×Fig.3 Microstructure on surface after normalizing treatment 500×

(a)A1-1；(b) A1-2；(c)A1-3圖4 正火后表面晶粒度 200×Fig.4 Grain on surface after normalizing 200×

4.2 氣割+正火后的沖擊性能

鎖鉤沖擊試樣取樣位置見圖5。經(jīng)測試，所取4組試樣的沖擊值分別為：

1#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為47、43、38 J，其均值為42.7 J；

2#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為34、35、39 J，其均值為36.0 J；

3#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為42、45、39 J，其均值為41.7 J；

圖5 鎖鉤沖擊試樣取樣位置圖Fig.5 Maping location of impact sample at lock hook

4#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為38、37、42 J，其均值為39.0 J。

5 調(diào)質(zhì)處理后的金相組織和沖擊性能

觀察取自鎖鉤成品件的金相試樣，調(diào)質(zhì)后的金相組織見圖6。鎖鉤成品件的金相組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，金相組織評級為2級。

圖6 鎖鉤調(diào)質(zhì)后的金相組織 500×Fig.6 Microstructure of lock hook after quenching and tempering process

取自鎖鉤成品件的沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如下：

1#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為94、84、83 J，其均值為87.0 J；

2#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為99、84、93 J，其均值為92.0 J；

3#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為98、95、108 J，其均值為100.3 J；

4#試樣3個(gè)沖擊值(KU2)為100、82、86 J，其均值為89.3 J。

6 試驗(yàn)分析

正火后熱影響區(qū)的深度、表面金相組織、表面晶粒度見表2。

由表2可以看出，厚度為58 mm的45鋼鎖鉤鍛造毛坯，氣割外形后，經(jīng)正火處理，其熱影響區(qū)深度<2 mm；零件表面晶粒度細(xì)小，達(dá)到10級。正火工藝通過細(xì)化晶粒，均勻組織，提高鋼材的綜合力學(xué)性能[3]。

表2 鍛造+氣割+正火對零件表面質(zhì)量的影響分析

正火處理的鎖鉤外形上的3個(gè)部位(1#、2#、3#位置)沖擊值分別為42.7、36.0、41.7 J與心部(4#位置)的沖擊值39.0 J接近，說明正火處理后氣割對鎖鉤的熱影響已經(jīng)不大。

鎖鉤調(diào)質(zhì)處理金相組織評級為2級，在1～4級范圍內(nèi)。在調(diào)質(zhì)處理的鎖鉤外形上3個(gè)部位(1#、2#、3#位置)的沖擊值分別為87.0、92.0、100.3 J與心部(4#位置)的沖擊值89.3 J接近，說明調(diào)質(zhì)處理后氣割對鎖鉤的熱影響得到消除。

7 結(jié)論

1)材質(zhì)為45鋼的鎖鉤鍛件(毛坯厚度58 mm)，氣割+正火處理后氣割熱影響區(qū)寬度為<2 mm；

2)氣割前留量，氣割后采用正火處理、去除加工余量，可以消除氣割帶來的不利影響。