徐州科源液壓股份有限公司生產(chǎn)的合金鋼齒輪，表層經(jīng)滲碳淬火硬化后，在磨齒輪端面時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋、剝落及燒傷痕跡。根據(jù)齒輪滲碳層金相組織的顯微分析，可以看出組織為馬氏體、殘余奧氏體和碳化物。其中，殘余奧氏體含量(體積分?jǐn)?shù))約在 30%，碳化物級(jí)別為 3 級(jí)。按照《JB/T6141.3-1992 重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，此金相組織為 4 級(jí)，殘余奧氏體含量較高，致使磨削時(shí)組織轉(zhuǎn)變量較多，表面應(yīng)力較大，存在磨削裂紋潛在危險(xiǎn)。
一、顯微組織觀察與顯微硬度測(cè)試
顯微組織分析
根據(jù)齒輪心部的顯微分析，看到組織為板條狀馬氏體。
根據(jù)表面組織的顯微分析，可以看出磨削平面表層為一較薄的亮層，次表層為顏色較暗的回火層。再往里才過渡到低溫回火處理的正常組織。組織分布說明，零件磨削過程中，表層已被加熱到奧氏體溫度，因未經(jīng)回火，質(zhì)地堅(jiān)硬，難以腐蝕，故在金相試樣上呈白亮層。白亮層為二次淬火形成的馬氏體組織。該組織的形成是由于磨削區(qū)磨削進(jìn)給量非常大或冷卻不足時(shí)，磨削區(qū)的溫度非常高，達(dá)到了奧氏體化臨界溫度以上，隨后冷卻時(shí)形成了淬火馬氏體組織。此時(shí)，組織變化造成體積比隨之變化，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。次表層溫度雖也較高，但在相變溫度下卻高于低溫回火溫度，故在磨削過程中繼續(xù)回火轉(zhuǎn)變，成為回火索氏體和回火屈氏體。該組織容易接受腐蝕，在金相試樣上呈暗黑色，受磨削熱的影響，溫度可達(dá)到 200～500℃，致使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變生成馬氏體。這一轉(zhuǎn)變使體積比增大，在工件內(nèi)部產(chǎn)生相變應(yīng)力，再加上砂輪磨削工件時(shí)所造成的撕裂應(yīng)力，造成磨削裂紋。
硬度及滲碳層深度檢測(cè)
切割制樣，對(duì)截面試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，即在垂直于磨削平面的深度上測(cè)其顯微硬度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，表面白亮層硬度很高;次層的低硬度與回火溫度相對(duì)應(yīng);往內(nèi)部的低溫回火過渡時(shí)，硬度卻又升高，并在一定深度范圍內(nèi)保持一定值;直到超過滲碳層后，硬度值逐漸下降。金相法測(cè)得滲碳層深 1.2～1.4mm，符合技術(shù)要求。
裂紋微觀形貌
磨削裂紋斷面清潔而無氧化色，呈脆性形態(tài)的斷口形貌。顯微觀察磨削裂紋深度較淺(0.2～0.4mm)并沿晶發(fā)展，尾部較細(xì)尖，裂紋在次表層分叉。
二、綜合分析
由上述顯微組織觀察結(jié)果與顯微硬度測(cè)試結(jié)果的一致性可判斷，此批齒輪磨削時(shí)產(chǎn)生了磨削裂紋和淺層剝離，屬于典型的磨削開裂。
磨削裂紋是磨削拉應(yīng)力超過材料斷裂強(qiáng)度所致。砂輪的切削是利用砂輪中許多多角形的砂粒形成很多小刀，和工件接觸時(shí)進(jìn)行摩擦切削。切削過程中，刀刃(砂粒)前面的金屬受到擠壓和撕裂，刀刃后面的金屬與砂輪的劇烈摩擦使晶粒受拉和滑移，因而引起金屬的彈性與塑性變形。當(dāng)切削作用停止后，金屬表層在彈性變形力的作用下力求恢復(fù)原位，因此出現(xiàn)平行磨削軌跡的拉伸應(yīng)力，但磨削裂紋的形成不僅與磨削條件和工藝有關(guān)，還與材質(zhì)、熱處理不良等因素有密切關(guān)系。
磨削工藝的影響
磨削加工工藝參數(shù)對(duì)磨削燒傷和裂紋的產(chǎn)生具有決定性作用。磨削時(shí)，由于金屬的塑性變形以及砂輪與工件的劇烈摩擦，使磨削所消耗的 80%的功變成熱量。大部分的熱量導(dǎo)入工件表面，可以使表面瞬時(shí)溫度達(dá)到 800～ 1000℃，嚴(yán)重時(shí)甚至可使表面呈金屬融化狀態(tài)。這種高溫勢(shì)必引起工件表面層組織和性能的改變。磨削變熱的特點(diǎn)是瞬間(約 0.01s)快速升溫，形成很陡的溫度梯度，隨即又以 800～1000℃/s 的速度冷卻。受熱后表層金屬體積膨脹，但受到內(nèi)層冷金屬的制約，引起塑性變形方式緩解，因此產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。溫度越高，金屬導(dǎo)熱性越差;溫度梯度越陡，則熱應(yīng)力越大。所以，選擇合理的磨削工藝參數(shù)尤為重要。
(1)磨削深度的影響。增加磨削深度，單顆粒的切削厚度增大，同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)也增多。因此，在磨削過程中磨削力增大、產(chǎn)生熱量增多，導(dǎo)致磨削表面及表層內(nèi)的溫度增加，且受到回火作用的程度與深度也增加。因此，磨削深度的增加加大了工件被燒傷的程度和裂紋的形成。所以，必須嚴(yán)格控制磨削深度，尤其是硬度較高的工件。
(2)砂輪切削速度的影響。提高砂輪切削速度或增大砂輪直徑，使砂粒的切削厚度隨著砂輪圓周速度增加而減少。曾有人研究磨削切削深度與砂粒速度之間的關(guān)系，得出提高砂輪速度必須減少切削深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找出了非磨損燒傷的安全區(qū)。根據(jù)實(shí)際情況，若要實(shí)現(xiàn)無燒傷磨削，砂輪圓周速度為 600m/min 時(shí)，切入深度應(yīng)控制在 0.09mm 以下。若砂輪速度提高到 1000m/min，切入深度應(yīng)減少到 0.05mm 左右。
若砂粒的切削圓半徑與切削之間比例失調(diào)，砂粒的切削刃后面的材料受擠壓而產(chǎn)生塑性變形引起摩擦，使摩擦熱增加和磨削區(qū)溫度急劇升高導(dǎo)致燒傷。再者，如果選用的砂輪過硬，粒度過細(xì)，砂輪表面也易被磨堵塞，從而使砂輪和工件間形成擠壓摩擦，使切削區(qū)產(chǎn)生大量的熱，也易導(dǎo)致燒傷。
(3)工件轉(zhuǎn)速的影響。若工件轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加時(shí)，雖單顆粒的切削厚度增大，磨削熱也增加，但工件轉(zhuǎn)速增大，意味著熱源在工件表面的移動(dòng)速度加快。因此，磨削區(qū)的熱作用時(shí)間縮短，單位時(shí)間內(nèi)單位切削面積上傳入工件的熱量減少，結(jié)果是隨工件轉(zhuǎn)速的增大，工件最表面的峰值溫度有所增加，次表面的峰值溫度有所降低。工件移動(dòng)速度越快，表面層內(nèi)的溫度下降梯度也越大。因而，回火層深度反而減少。由此可見，適當(dāng)增大工件轉(zhuǎn)速有利于減輕燒傷。
材質(zhì)的影響
材料加工性能與其化學(xué)成分和組織密切相關(guān)。鋼中碳的含量從 0.1%增加到 0.8%時(shí)，磨削的單位效率可提高 4 倍，且零件的表面質(zhì)量指標(biāo)可獲得最佳數(shù)值。如果鋼中加入 Cr、Mo、Ni、W 和 V 等合金元素，可生成 Cr23C6、 Fe3Mo3C、Fe3W3C 和 MoC、VC、WC、TiC 等碳化物。由于 WC、TiC 和 VC 等碳化物穩(wěn)定性好，在奧氏體中溶解度低，同時(shí)具有高硬度和融化溫度，所以這些殘留碳化物會(huì)使砂輪磨粒迅速磨損，從而使磨削區(qū)的摩擦熱增加，溫度急劇上升。這不僅降低了加工效率，還會(huì)引起工件表層內(nèi)較深組織的變化和裂紋的形成。工件內(nèi)部組織分布不均勻，呈網(wǎng)絡(luò)狀或條狀時(shí)，易在磨削后延脆性組織分布方向出現(xiàn)磨削裂紋。這時(shí)由于不同顯微組織熱導(dǎo)率不同，當(dāng)鋼中存在較多的碳化物和殘余奧氏體時(shí)，將嚴(yán)重影響鋼的導(dǎo)熱能力，增加磨裂的敏感性。
滲碳工藝的影響
滲碳層碳濃度過高或碳化物形成網(wǎng)狀分布或塊狀分布于晶界，不但削弱了晶界的結(jié)合，而且明顯地影響熱傳導(dǎo)，加劇磨削裂紋的生成。淬火后，組織應(yīng)力、熱應(yīng)力增大。磨削時(shí)，也易產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。
淬火工藝的影響
對(duì)于滲碳件來說，出現(xiàn)磨削裂紋傾向也隨滲碳后淬火溫度的提高而增加。20CrMnTi 鋼經(jīng) 930℃滲碳后，分別預(yù)冷到 860℃和 830℃淬火，再經(jīng) 200℃回火處理后，淬火溫度高，磨裂傾向大。這是由于高溫引起晶粒長(zhǎng)大而形成的粗針狀馬氏體中含碳量的增加使熱導(dǎo)率減小，摩擦熱增加，因而也增加了熱應(yīng)力。此外，高碳馬氏體存在許多微裂紋，被認(rèn)為是高碳馬氏體斷裂強(qiáng)度降低的主要原因。實(shí)踐證明，粗大馬氏體和大量殘余奧氏體的存在，即使謹(jǐn)慎的輕微磨削也極易產(chǎn)生磨削裂紋。
回火工藝的影響
淬火后的回火溫度、保溫時(shí)間和回火次數(shù)，對(duì)磨裂傾向影響很大。回火溫度低，保溫時(shí)間短，回火不充分，則硬度較高，馬氏體中微裂紋多而脆性大，極易產(chǎn)生磨削裂紋。20CrMnTi 滲碳淬火后磨削全部出現(xiàn)磨裂，經(jīng) 180℃回火后磨裂比例降至 60%～70%;當(dāng)在 200℃保溫 3 小時(shí)回火后，磨裂傾向已趨于 0。對(duì)于未回火的馬氏體組織磨削，磨削熱足以使馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，析出碳化物，造成零件表面與內(nèi)部的比容差，從而引起較高的內(nèi)應(yīng)力，形成裂紋。
磨削液的影響
磨削液在對(duì)工件表面冷卻的同時(shí)具有對(duì)沖洗切屑、防止砂輪孔隙堵塞等的清潔作用，以及減少磨粒與工件間的摩擦、防止零件溫度上升、保持零件尺寸精度避免磨削損傷等作用。如果在磨削時(shí)冷卻不充分或磨削液選用不當(dāng)，磨削產(chǎn)生的熱量也足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火形成淬火馬氏體，使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力。再加上磨削所形成的熱量使零件表面的溫度升高極快，這種組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的迭加可能導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。后續(xù)的循環(huán)應(yīng)力將使裂紋擴(kuò)展開來形成宏觀裂紋。特別注意軸和齒輪類零件的轉(zhuǎn)角臺(tái)階處，由于磨削過程中冷卻液不易進(jìn)入而引起“熱積聚”現(xiàn)象。磨削溫度較高，散熱條件較差，易引起磨削燒傷和磨削裂紋，此時(shí)磨削工藝參數(shù)的選擇尤為重要。
機(jī)床精度的影響
由于機(jī)床主軸跳動(dòng)造成砂輪與工件互相撞擊也會(huì)引起燒傷。
三、建議措施
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工藝及工藝的執(zhí)行情況進(jìn)行排查、整改，整改措施如下。
第一，降低滲碳件的淬火溫度。在 930℃中滲碳，滲碳后直接淬火，淬火溫度由 860℃降至 830℃。
第二，調(diào)整回火溫度與回火保溫時(shí)間。春、秋、夏三季的回火時(shí)間由 2 小時(shí)延長(zhǎng)至 3 小時(shí);冬季延長(zhǎng)至 4 小時(shí)，且回火溫度的下限從 180℃提高到 200℃，80 排量以上的齒輪進(jìn)行二次回火 2H，或在 160～180℃的熱油中進(jìn)行時(shí)效 12 小時(shí)。
第三，控制表面碳濃度，碳濃度控制在 0.65% ～ 0.8%。碳濃度分布梯度要平緩，以保障良好的表面強(qiáng)度和應(yīng)力分布。重載齒輪的碳含量應(yīng)控制在下限，以有利于控制碳化物的大小和形狀。碳含量控制在上限時(shí)，會(huì)增強(qiáng)形成殘余奧氏體的趨向，并有增加碳化物、表層氧化與降低齒根強(qiáng)度的趨向。據(jù)有關(guān)資料表明，美國(guó)對(duì)重載齒輪表面碳濃度已控制在 0.65%左右。
第四，控制殘余奧氏的數(shù)量，防止齒輪在磨削時(shí)產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。嚴(yán)格控制殘余奧氏體在 25%之內(nèi)，對(duì)重載齒輪應(yīng)控制在 20%以內(nèi)?？刂铺蓟锏拇笮?、數(shù)量、形態(tài)和分布，以獲得彌散分布細(xì)顆粒碳化物，從而提高材料的斷裂強(qiáng)度，減少脆性。控制馬氏體的級(jí)別，要獲得隱晶狀、細(xì)針狀的馬氏體，避免產(chǎn)生粗大針狀馬氏體，從而減少裂紋源，以提高材料的斷裂強(qiáng)度。馬氏體的級(jí)別 3 級(jí)最佳。
第五，選用力度較為鋒利的砂輪 PA36-46J，將原用砂輪硬度為 K 級(jí)更換為 J 級(jí);減少吃刀量，增加走刀(磨削)次數(shù)，提高砂輪轉(zhuǎn)速;保持砂輪修整器金剛石的鋒利狀況，因?yàn)槠滗h利的工作狀態(tài)是修好砂輪的前提和保證。
第六，增大冷卻液的流量及噴射沖刷的力度，定期清洗冷卻油箱，檢查濾網(wǎng)、更換新油，確保冷卻質(zhì)量和效果。
經(jīng)采取以上措施，嚴(yán)重的磨削裂紋全部予以消除。
四、結(jié)語
綜上所述，磨削裂紋產(chǎn)生的根本原因是金屬表面在磨削過程中產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)被冷卻介質(zhì)帶走，表層材料被重新回火或形成新生的淬火馬氏體，使表層產(chǎn)生很高的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力形成拉應(yīng)力所致?？梢?，不良的組織狀態(tài)和磨削工藝是造成磨削裂紋產(chǎn)生的主要原因。
參考文獻(xiàn)略.