難切削材料（高錳鋼）加工技術（一）

楊帥

' o7 W1 k# c3 O* q+ y; c概述　　錳含量約為11%～18%的鋼稱高錳鋼。常用的鑄造高錳鋼ZMn13的化學成分為:Mn含量11%～14%,c含量1.0%～1.4%,Si含量0.3%～1.0%,P含量<0.03%,S含量<0.05%。 高錳鋼是一種耐磨鋼,經過水韌處理的高錳鋼可以得到較高的塑性和沖擊韌性。所謂水韌處理,就是把鋼加熱到1000℃～1100℃,保溫一段時間,使鋼中的碳化物全部溶入奧氏體中,然后迅速冷卻,使碳化物來不及從奧氏體中析出,從而保持了單一的均勻的奧氏體組織。經過水韌處理的高錳鋼稱為高錳奧氏體鋼。其力學性能為:σb=980 MPa,σs=392 MPa,HB210,δ=80%,αk=2.94 MJ/m2。 高錳鋼具有很高的耐磨性,雖然它的硬度只有HB210,但它的屈服點σs較低,只有σb的40%,因此具有較高的塑性和韌性。高錳鋼在受到外來壓力和沖擊載荷時,會產生很大的塑性變形或嚴重的加工硬化現象,鋼被劇烈強化,硬度顯著提高,可達HB450～550,因此有了較高的耐磨性。 高錳鋼可分為高碳高錳耐磨鋼、中碳高錳無磁鋼、低碳高錳不銹鋼和高錳耐熱鋼。
高錳鋼的切削特點　　(1)加工硬化嚴重:高錳鋼在切削過程中,由于塑性變形大,奧氏體組織轉變為細晶粒的馬氏體組織,從而產生嚴重的硬化現象。加工前硬度一般為HB200～220,加工后表面硬度可達HB450～550,硬化層深度0.1～0.3 mm,其硬化程度和深度要比45號鋼高幾倍。嚴重的加工硬化使切削力增大,加劇了刀具磨損,也容易造成刀具崩刃而損壞。 (2)切削溫度高:由于切削功率大,產生的熱量多,而高錳鋼的導熱系數比不銹鋼還低,只有中碳鋼的1/4,所以切削區溫度很高。當切削速度Vc<50 m/min時,高錳鋼的切削溫度比45號鋼高200℃～250 ℃,因此,刀具磨損嚴重,耐用度降低。 (3)斷屑困難:高錳鋼的韌性是45號鋼的8倍,切削時切屑不易拳曲和折斷。 (4)尺寸精度不易控制:高錳鋼的線膨脹系數與黃銅差不多,在高的切削溫度下,局部產生熱變形,尺寸精度不易控制。切削高錳鋼時,應先進行粗加工,工件冷卻后再進行精加工,以保證工件的尺寸精度。
高錳鋼的切削性能　　金屬材料的切削性能主要取決于材料的力學、物理性能,如:強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性及線膨脹系數等。通過熱處理可以改變金屬材料的力學、物理性能,從而改善其切削性能。改善高錳鋼的切削性能可以通過高溫回火來實現。將高錳鋼加熱至600℃～650℃,保溫兩小時后冷卻,使高錳鋼的奧氏體組織轉變為索氏體組織,其加工硬化程度顯著降低,加工性能明顯改善。加工完成的零件在使用前應進行淬火處理,使其內部組織重新轉變為單一的奧氏體組織。
高錳鋼的切削刀具　　高錳鋼屬難加工材料,對刀具材料要求較高。一般來說,要求刀具材料紅硬性高、耐磨性好,有較高的強度、韌性和導熱系數。切削高錳鋼可選用硬質合金、金屬陶瓷做刀具材科,也可以用CN25涂層刀片或CBN(立方氮化硼)刀具。目前應用最普遍的還是硬質合金,其中YG類硬質合金具有較高的抗彎強度和沖擊韌性(與YT類硬質合金比較),可減少切削時的崩刃。同時,YG類硬質合金的導熱性較好,有利于切削熱從刀尖散走,降低刀尖溫度,避免刀尖過熱軟化。YG類硬質合金的磨加工性較好,可以磨出銳利的刃口。一般情況下,刀具的耐用度取決于刀具材料的紅硬性、耐磨性和沖擊韌性。YG類硬質合金中含鈷量較多時,抗彎強度和沖擊韌性好,特別是提高了疲勞強度,因此適于在受沖擊和震動的條件下作粗加工用；含鈷量較少時,其硬度、耐磨性和耐熱性較高,適合作連續切削的精加工。YT類硬質合金具有較高的硬度和較高的耐熱性,但與YG類硬質合金相比,其強度低、脆性大,導熱性差。因此,切削高錳鋼時通常選用韌性好的YG類硬質合金作刀具材料。應當注意的是,YG類硬質合金不適于高速切削,因為在高速切削鋼料時,切削時的高溫將使刀具前刀面上形成強烈的月牙洼磨損,并加速后刀面磨損,刀具耐用度降低。在切削速度較高且切削過程較平穩的情況下可考慮選用YT類硬質合金作刀具材料。　YG類硬質合金中添加適量的(一般為0.5%～3%左右)TaC(碳化鉭)或NbC(碳化鈮),可提高其硬度和耐磨性而不降低其韌性。隨著硬質合金中含鈷量的增加,這些優點更為顯著。因此,以Tac和NbC為添加劑的通用型硬質合金也適于高錳鋼的切削加工。　切削高錳鋼常用的硬質合金牌號有:YG8、YG6A、YG6X、YG8N、YW1、YW2A、YW3、YC45、767、798、813等。 采用金屬陶瓷刀片進行高錳鋼的精車、半精車,可選用較高的切削速度,加工表面質量好,刀具耐用度高。例如利用Al2O3基陶瓷刀具切削50Mn18Cr4高錳鋼比用硬質合金刀具效率提高1～4倍。 切削加工高錳鋼還可選用CN25涂層刀片和CBN(立方氮化硼)刀具。在使用CBN刀具時應注意被切削材料含錳量不能高于14%,否則,CBN可能與Mn元素產生化學反應使刀具磨損嚴重,切削性能下降。
" F2 [9 |6 z: P9 U$ i高錳鋼切削刀具參數　　高錳鋼具有較高的塑性和韌性,加工硬化嚴重,切削溫度高,斷屑困難,容易造成崩刃,因此合理選擇刀具的幾何參數尤為重要。 (1)前角與后角:切削高錳鋼時,為了減輕加工硬化,要求刀具保持鋒利。但一般不可以采用大前角,因為前角大不利于保證刃口強度和改善散熱條件。常采用較小前角或負前角及較大后角,但后角太大也會削弱刃口強度引起崩刃。采用硬質合金刀具時,γ0=-3°～3°,α0=8°～12°；采用陶瓷刀具時,γ0=-5°～-10°,α0=5°～10°。粗車時取小值,精車時取大值。 (2)主偏角與副偏角:切削高錳鋼時,主偏角應小些,這樣可以增加刀具散熱面積和刀尖強度,副偏角也不宜過大。選用硬質合金刀具時,一般取κr=25°～45°,κ′r=10°～20°。工藝系統剛性好時取小值,反之可適當加大主偏角和副偏角。選用陶瓷刀具時,主偏角還可大些,一般取κr=45°～60°,精車時可取κr=60°～90°。 (3)刃傾角:為了保持刀尖部分的強度,切削高錳鋼時一般應選擇負刃傾角。選用硬質合金刀具時,λs =-5°～0°；選用陶瓷刀具時,λs =-10°～-5°。 (4)刀尖圓弧半徑:切削高錳鋼時,不論采用何種刀具材料,刀尖部分都應修磨出較大的圓弧半徑,以加強刀尖強度,提高刀具耐用度。一般粗車時rε=1～2 mm；半精車時rε=0.5～1 mm；精車時rε=0.2～0.5mm。工藝系統剛性好時取大值,反之取小值。 (5)刃口倒棱:為了保證刃口有足夠的強度,減少崩刃現象,一般應將刃口修磨出負倒棱。硬質合金刀具倒棱寬度bγ1=0.2～0.8 mm,倒棱前角γ01=-10°～-5°；如采用陶瓷刀具,bγ1=0.2 mm,γ01=-20°。
+ l4 L$ ^( m9 e( P0 B高錳鋼的切削用量　　高錳鋼的切削加工性很差,為了維持一定的刀具耐用度,切削速度應低些。采用硬合金刀具時, Vc=20～40 m/min,其中,較低的速度用于粗車,較高的速度用于半精車和精車。采用陶瓷刀具時,可以選用較高的切削速度,一般Vc=50～80 m/min(如用Si3N4陶瓷刀具,Vc≤60 m/min)。 高錳鋼在切削過程中,由于塑性變形和切削力的影響,切削層及表層下一定深度范圍內會產生嚴重的硬化現象。為了使刀尖避開毛坯表層和前一次走刀造成的硬化層,應選擇較大的切削深度和進給量。一般粗車時αp =3～6 mm,f=0.3～0.8 mm/r；大件粗車時可取αp =6～10 mm；半精車時αp =1～3 mm；f=0.2～0.4 mm/r；精車時口。≤1 mm；f≤0.2mm/r。
/ w3 Q+ A, E4 v) }( i. H高錳鋼切削加工實例  （www.hlcbn.com ）　
工件材質：ZGMn13，表面有夾砂、氣孔。

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       刀具：整體立方氮化硼刀片（華菱超硬HLCBN）
　　切削參數：吃到深ap=2-3.5mm；走刀量Fr=0.25mm/r；線速度v=85m/min 。
) D* ~6 i. r6 L) H6 k, t/ J$ A( W       刀具耐用度:3小時/刃口   
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黑色陶瓷車刀

精車的話還是陶瓷刀片比較好些，性價比會高些。

wangnanxiang

謝謝樓主的分享，學習一下

華泰超硬工具

用PCBND刀具效果好，生產效率要提高3倍以上。

huxm0515

不錯，學習了，很有感觸

jinhuma

很好的文章，謝謝樓主分享

南方祥云

不錯，學習了 謝謝