20CrMnMo滲碳齒輪磨削裂紋原因分析

■王孟，劉洋，李炎，谷浩鵬，王忠

20CrMnMo滲碳齒輪磨削裂紋原因分析

■王孟，劉洋，李炎，谷浩鵬，王忠

大型工程機械傳動齒輪要求具有較高的加工精度、耐磨性及抗疲勞強度，故這類齒輪材料常選用20CrMnMo，熱處理工藝為滲碳淬火，但滲碳淬火后齒輪齒面精度較差，要對其齒面進(jìn)行磨削加工。磨削時由于磨削工藝、齒輪本身金相組織等問題常出現(xiàn)磨削裂紋現(xiàn)象。

磨削裂紋產(chǎn)生主要由內(nèi)外兩個原因造成的。內(nèi)因：齒輪的金相組織不合格造成磨削裂紋的產(chǎn)生；外因：磨削加工產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力造成磨削裂紋。本文針對我公司出現(xiàn)的幾種磨削裂紋現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1. 金相組織致使磨削裂紋

我公司20CrMnMo滲碳齒輪磨削時，發(fā)生磨削裂紋現(xiàn)象，磨削10件齒輪，裂紋6件。裂紋齒輪如圖1所示，為進(jìn)一步檢驗裂紋狀況，我們在裂紋的齒部截取1、2、3號試樣，1、2號用于分析齒輪的化學(xué)成分、金相組織等，3號試樣用于著色檢測，檢測結(jié)果如圖2所示。

從圖2著色檢測情況看，裂紋數(shù)量非常多且接近于平行狀，裂紋非常細(xì)小，規(guī)則排列成條狀，并垂直于磨削方向。從裂紋形貌看，屬于較為典型的磨削裂紋，這類裂紋是由于回火不充分、殘留奧氏體含量過高所致。

分析齒輪的金相組織，齒輪滲碳層的金相組織如圖3a所示，可以看出組織為馬氏體、殘留奧氏體、碳化物，殘留奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）約在30%，碳化物級別為3級。按照《JB/T 6141.3—1992 重載齒輪滲碳金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)評判，此金相組織為4級，殘留奧氏體含量較高，致使磨削時組織轉(zhuǎn)變量較多，表面應(yīng)力較大，存在磨削裂紋潛在危險，驗證了我們之前的分析。該齒輪心部組如圖3b所示，組織為板條狀馬氏體。

觀察裂紋處的金相組織，如圖4所示，裂紋深度為0.3mm。從裂紋處的金相組織可以看出裂紋處及表層0.1mm的殘留奧氏體大部分已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而裂紋向內(nèi)超過0.3mm的地方，仍有較高含量的殘留奧氏體，這是由于磨削熱致使表面薄層內(nèi)的殘留奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，薄層以內(nèi)組織未發(fā)生轉(zhuǎn)變，仍含有較多的殘留奧氏體。

圖1

圖2　著色檢測

圖3

2. 磨削工藝致使磨削裂紋

磨削工藝是否合理同樣是造成磨削裂紋發(fā)生的另一個重要原因，圖5為磨削時產(chǎn)生的裂紋齒輪試樣。裂紋自齒頂處開始，沿

滲碳層深度與基體相接處延伸擴(kuò)展，整體長度約20mm，裂紋深度為2mm。

檢驗齒輪滲碳層組織及心部組織如圖6所示，滲碳層組織為馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，殘留奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）為20%，碳化物為2級，金相組織滿足要求。

處理裂紋處試樣，觀察腐蝕后的試樣，如圖7所示。從圖7b可看出齒面有一層明顯的非常薄的白亮帶，寬度0.10～0.15mm，該處白亮帶是由于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，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，形成了淬火組織，此時組織變化造成比體積隨之發(fā)生變化，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。在白亮層以下，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)變比體積增大，在工件內(nèi)部產(chǎn)生相變應(yīng)力，再加上砂輪磨削工件時所造成的撕裂應(yīng)力，造成磨削裂紋。

為進(jìn)一步驗證我們的判斷，使用顯微硬度計檢測白亮帶及其附近區(qū)域的硬度情況，如圖8所示。白亮帶硬度為618HV0.3，硬度非常高，組織為淬火馬氏體，是由于磨削過熱二次淬火造成的；白亮帶以里硬度為396HV0.3，組織為回火索氏體，磨削過多的熱量對白亮層內(nèi)側(cè)造成回火所致。

圖4

綜上可看出，此次裂紋由于磨削工藝不合理造成，需對現(xiàn)有磨削工藝進(jìn)行改善，及時修磨砂輪，加大切削液流量，減小磨削進(jìn)給量，可避免裂紋的再次發(fā)生。

圖5　裂紋齒

圖6　裂紋齒表層及心部組織

圖7　裂紋處金相組織

3. 結(jié)語

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)生高的熱量無法被及時冷卻，致使馬氏體體積收縮而形成拉應(yīng)力所致，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。

圖8　白亮帶處的顯微硬度

20150118

作者簡介：王孟、李炎、谷浩鵬、王忠，山推工程機械股份有限公司；劉洋，山鋼集團(tuán)萊蕪分公司寬厚板事業(yè)部。