高錳鋼的切削加工
2015-07-21
1．高錳鋼有哪幾種？其性能如何？
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。幾種高錳鋼的牌號和性能見表5-1。
2．高錳鋼有哪些切削加工特點？
高錳鋼錳含量高達11％～18％，具有較高的塑性和韌性，在切削加工中有以下特點：
(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。
3．怎樣通過熱處理改善高錳鋼的切削性能？
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。
4．切削高錳鋼時怎樣選擇刀具材料？
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。
5．切削加工高錳鋼時怎樣選擇刀具幾何參數？
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°。
6．切削高錳鋼時怎樣選擇切削用量？
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。
7．鉆高錳鋼硬質合金群鉆有哪些特點？
在工程機械、礦山機械和越野車輛的制造中，常采用ZGMn13類高錳鋼。ZGMn13高錳鋼錳含量達11％～14％，這類鋼經過水韌處理后在受到劇烈沖擊壓力時，會產生很強的硬化現象，硬度可達HB450～550，硬化層深度達0.3 mm左右。高錳鋼在受到沖擊壓力發生變形的過程中，會消耗那些對鋼材表面繼續作用的沖擊力，阻止作用力傳到更深的內層去。加之高錳鋼的導熱系數很低，只有碳鋼的1/3～1/4，給切削帶來很大困難。特別是鉆削時，刀具磨損嚴重，耐用度較低。因此，常采用硬質合金群鉆進行高錳鋼的鉆削。
鉆高錳鋼硬質合金群鉆的本體為40Cr制造，切削部分為YG8或YW硬質合金。切削部分形狀與鑄鐵群鉆近似，只是將鉆尖高h加大到0.08 D，圓弧刃的圓弧半徑加大到0.4 D，以加大B點刃尖的刀尖角，提高刀尖強度，改善散熱條件，同時也起到分屑作用。同樣，在外緣處磨出雙重鋒角，并磨出負前角，把外緣處后角加大到20°，如圖1所示。鉆頭磨好后，要用油石仔細鐾研刃口，不得有鋸齒。
8．使用硬質合金群鉆鉆削高錳鋼時應注意什么？
高錳鋼具有較高的塑性和韌性，切削溫度高，用硬質合金群鉆鉆高錳鋼時，應注意以下問題：
(1)合理選擇切削用量：切削速度太低或進給量太大，都會使切削力增加，容易造成切削刃崩碎。一般取Vc=30～40m/min，f=0.07～0.1 mm/r。
(2)要充分使用冷卻液：高錳鋼的線膨脹系數大，鉆孔時應充分使用冷卻液，有條件的可將工件浸在冷卻液中鉆孔，以防止因孔的收縮將鉆頭咬死損壞。
(3)嚴格控制鉆頭磨鈍標準：鉆削過程中如聽到刺耳的尖叫聲或發現鉆頭外緣轉角處后角和棱邊磨損約1 mm時，應及時將鉆頭進行重磨，否則繼續使用會加快鉆頭磨損以致損壞。
(4)嚴禁中途停車：用硬質合金群鉆鉆削高錳鋼時，應采用自動進給，盡量不用手動進給，否則會加重硬化現象，使鉆削更加困難。操作中要嚴禁中途停車，防止因切削力過大造成“悶車”，使鉆頭崩碎。
除以上幾點外，在使用硬質合金群鉆鉆削高錳鋼時，還要求機床剛性好、振動小。硬質合金的硬度、耐熱性比高速鋼高，但韌性比高速鋼低很多，強烈的振動和切削時的高溫，會加快鉆頭磨損，造成崩刃或開焊，使鉆削無法進行。
9．高錳鋼車削實例有哪些?
工件材料為40Mn18Cr3，刀具材料為YW2，刀具幾何參數見圖2。切削用量為Vc=45 m/min，αp=4 mm，f=0.2 mm/r。
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。幾種高錳鋼的牌號和性能見表5-1。
2．高錳鋼有哪些切削加工特點？
高錳鋼錳含量高達11％～18％，具有較高的塑性和韌性，在切削加工中有以下特點：
(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。
3．怎樣通過熱處理改善高錳鋼的切削性能？
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。
4．切削高錳鋼時怎樣選擇刀具材料？
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。
5．切削加工高錳鋼時怎樣選擇刀具幾何參數？
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°。
6．切削高錳鋼時怎樣選擇切削用量？
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。
7．鉆高錳鋼硬質合金群鉆有哪些特點？
在工程機械、礦山機械和越野車輛的制造中，常采用ZGMn13類高錳鋼。ZGMn13高錳鋼錳含量達11％～14％，這類鋼經過水韌處理后在受到劇烈沖擊壓力時，會產生很強的硬化現象，硬度可達HB450～550，硬化層深度達0.3 mm左右。高錳鋼在受到沖擊壓力發生變形的過程中，會消耗那些對鋼材表面繼續作用的沖擊力，阻止作用力傳到更深的內層去。加之高錳鋼的導熱系數很低，只有碳鋼的1/3～1/4，給切削帶來很大困難。特別是鉆削時，刀具磨損嚴重，耐用度較低。因此，常采用硬質合金群鉆進行高錳鋼的鉆削。
鉆高錳鋼硬質合金群鉆的本體為40Cr制造，切削部分為YG8或YW硬質合金。切削部分形狀與鑄鐵群鉆近似，只是將鉆尖高h加大到0.08 D，圓弧刃的圓弧半徑加大到0.4 D，以加大B點刃尖的刀尖角，提高刀尖強度，改善散熱條件，同時也起到分屑作用。同樣，在外緣處磨出雙重鋒角，并磨出負前角，把外緣處后角加大到20°，如圖1所示。鉆頭磨好后，要用油石仔細鐾研刃口，不得有鋸齒。
8．使用硬質合金群鉆鉆削高錳鋼時應注意什么？
高錳鋼具有較高的塑性和韌性，切削溫度高，用硬質合金群鉆鉆高錳鋼時，應注意以下問題：
(1)合理選擇切削用量：切削速度太低或進給量太大，都會使切削力增加，容易造成切削刃崩碎。一般取Vc=30～40m/min，f=0.07～0.1 mm/r。
(2)要充分使用冷卻液：高錳鋼的線膨脹系數大，鉆孔時應充分使用冷卻液，有條件的可將工件浸在冷卻液中鉆孔，以防止因孔的收縮將鉆頭咬死損壞。
(3)嚴格控制鉆頭磨鈍標準：鉆削過程中如聽到刺耳的尖叫聲或發現鉆頭外緣轉角處后角和棱邊磨損約1 mm時，應及時將鉆頭進行重磨，否則繼續使用會加快鉆頭磨損以致損壞。
(4)嚴禁中途停車：用硬質合金群鉆鉆削高錳鋼時，應采用自動進給，盡量不用手動進給，否則會加重硬化現象，使鉆削更加困難。操作中要嚴禁中途停車，防止因切削力過大造成“悶車”，使鉆頭崩碎。
除以上幾點外，在使用硬質合金群鉆鉆削高錳鋼時，還要求機床剛性好、振動小。硬質合金的硬度、耐熱性比高速鋼高，但韌性比高速鋼低很多，強烈的振動和切削時的高溫，會加快鉆頭磨損，造成崩刃或開焊，使鉆削無法進行。
9．高錳鋼車削實例有哪些?
工件材料為40Mn18Cr3，刀具材料為YW2，刀具幾何參數見圖2。切削用量為Vc=45 m/min，αp=4 mm，f=0.2 mm/r。