中頻淬火曲軸磨削裂紋產生原因及對策

楊美全，李勇強

中頻淬火曲軸磨削裂紋產生原因及對策

楊美全，李勇強

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

磨削表面燒傷是磨削過程的瞬時高溫使工件金屬表面產生一層很薄的氧化層，對于已淬硬件來說可能會造成表面磨削回火軟化，嚴重的甚至產生裂紋，影響工件的耐磨性和使用壽命。以某型號發動機的球墨鑄鐵曲軸中頻淬火后在磨削加工時軸頸表面產生裂紋現象為實例，分析軸頸表面由于磨削燒傷而產生裂紋的原因，并從熱處理工藝及磨削工藝兩個方面介紹了消除磨削裂紋的方法。

球墨鑄鐵曲軸；磨削熱；表面燒傷；磨削裂紋

某廠主要生產某型號柴油發動機曲軸，該曲軸材料為球墨鑄鐵（牌號為QT800-6），毛坯鑄造后正火處理，珠光體組織含量90%以上，基體硬度要求270-320HB，球化率1－3級，球徑大小5-8級。在加工時采用表面軸頸淬火加小圓角滾壓強化工藝。軸頸淬火有效硬化層深度為2.5～3.5 mm，曲軸軸頸中頻淬火后進行中溫回火，表面硬度48～55 HRC.這種經圓角滾壓強化加軸頸中頻淬火的球鐵曲軸由于成本低廉且彎曲疲勞強度水平已能與鍛鋼曲軸媲美，因此在中小型柴油機上得到廣泛應用，有著很好經濟效益前景。但球墨鑄鐵曲軸在生產過程中，經磨削加工工序后，在探傷工序時常發現有軸頸表面出現細小的網狀裂紋而造成報廢，由于原因不明且反復出現，一直困擾影響著本廠球鐵曲軸生產效率的提升及推廣應用。本文通過對球鐵曲軸表面進行磨削工藝試驗及硬度、金相檢驗，通過分析、研究，探討了磨削裂紋產生的原因，并提出了相應的解決對策，取得了較好的效果。

1 曲軸表面磨削裂紋的宏觀形態

曲軸軸頸表面經磁粉探傷后出現裂紋的宏觀形貌見圖1，裂紋多數呈網狀或半網狀，其最長的裂紋長約7mm，常見分布于軸頸圓周的局部的表面上，嚴重時整個軸頸表面都呈龜裂狀。

圖1 磨削裂紋宏觀形貌

2 試驗內容與方法

2.1 金相分析

對有裂紋的磨削面作徑向取樣解剖檢驗，在顯微鏡下觀察到裂紋表現為穿晶或沿開裂，裂紋深度為0.1～0.2 mm，而且深度基本一致，從表面向基體延伸擴展由粗到細逐漸消失（見圖2、圖3）。檢驗石墨形態為球化率2級，球徑6級；基體組織為96%珠光體+少量分散分布的鐵素體，按圖紙要求為合格組織。檢得有效淬硬層深1.8～2.2 mm，金相組織是均勻的回火屈氏體，在最表層沒有發現存在二次淬火組織。

圖2 表面裂紋形貌（100×）

圖3 剖面裂紋形貌（100×）

2.2 回火工藝試驗

為了進一步了解回火溫度與磨削燒傷關系，做了相應的工藝試驗，即對所試驗的3根曲軸，采用現行的生產淬火工藝進行中頻淬火，再經200℃×2.5 h的低溫回火，再用按現行的磨削工藝進行加工，精磨完各個軸頸后再探傷，結果發現3根曲軸都有幾個軸頸產生表面網狀裂紋，抽取其中5個軸頸解剖理化檢驗結果見表1.可見經低溫回火的球鐵曲軸，在磨削時幾乎都產生了表面燒傷，有的軸頸表面磁粉探傷出現網狀裂文，且裂紋的嚴重程度跟表層燒傷程度成正比關系，燒傷層越深，就越容易產生裂紋。

表1 經200℃×2.5h回火的曲軸磨削后檢驗結果

2.3 磨削表面層顯微硬度檢測

磨削作為精加工，在加工時必須具有較高的切削速度，才能使工件達到較高的尺寸精度、粗糙度等項要求，因此被磨削的金屬在磨削力的作用下機械能轉化為熱能，在磨削區短時間地、大量地發熱，瞬時溫度可達400～1 000℃.磨削過程的瞬時高溫引起被磨削金屬表面產生一層很薄的表面燒傷。磨削燒傷會破壞工件表層組織，嚴重時會產生裂紋，使工件表面質量惡化，嚴重影響工件的耐磨性和使用壽命[1]。由于球鐵曲軸正常生產工藝為軸頸中頻淬火再經340℃中溫回火，此時淬火馬氏體已轉變為回火屈氏體，因此往往很難根據表層金相組織變化情況來判斷是否有磨削燒傷產生。但可從其它方面也能獲得到相應的信息，如回火后的工件表面若在磨削時產生的溫度比生產時回火溫度高，那表面薄層會進一步被回火軟化，其表面顯微硬度會出現下降。

分別對送來檢測的5個樣件，在磨削表面有裂紋及沒裂紋的地方打維氏硬度，結果見表2.

表2 不同狀態試樣的表面顯微硬度

3 結果分析與討論

（1）從本文的工藝試驗可知，低溫回火的球墨鑄鐵曲軸容易產生磨削燒傷，其磨削后表面幾乎都出現了網狀裂紋，而較高溫度回火的曲軸，在相同磨削條件下卻沒出現磨削燒傷。這是因為淬硬層的低溫回火組織為回火馬氏體和殘余奧氏體，這種亞穩定的組織在磨削加工時受磨削熱的影響很容易分解轉變成回火屈氏體組織，而次表層的基體組織由于溫升小得多，沒有發生組織轉變，表層由于回火屈氏體組織比容小而產生體積收縮，導致表面層承受拉應力，這類應力屬組織應力；另外，被磨削熱加熱而使體積膨脹了的表層金屬，在隨后的冷卻期間，由于體積迅速收縮卻受到內層金屬的阻礙，也在表層內產生了拉應力，它是磨削拉應力的另一構成部分，屬于熱應力性質的應力[2]。兩者疊加，使淺表層產生極大的拉應力，當殘余拉應力超過材料的脆斷強度時，則形成裂紋。一般來說，工件材料的強度越高，導熱性越差、塑性越低，在磨削時表面層產生殘余拉應力的傾向就越大，就越容易產生磨削裂紋，球墨鑄鐵曲軸經中頻淬火后，表面硬而脆的特性使它不太適宜磨削加工。

（2）由表2數據可知，曲軸軸頸表面有裂紋的地方顯微硬度較低，說明出現曲軸軸頸局部產生了嚴重磨削燒傷，該處磨削熱所產生的溫度已超過曲軸的先前的生產回火工藝溫度，表層被繼續回火，硬度出現下降。工件磨削時表面吸收能量越多，溫度就越高，磨削表面形成的殘余組織應力及熱應力就越大，不同磨削條件下所得到表面殘余應力分布見圖4[3]。在整個磨削過程中，曲軸軸頸表面（或淺表層）的應力在粗磨階段隨著磨削進行，拉應力不斷上升，到粗磨結束時拉應力達到最大值。進入精光磨后，在砂輪的擠壓作用下，表面和淺表層應力不斷降低直至轉變為壓應力，因此磨削裂紋是在粗磨階段，當拉應力超過材料的脆斷強度的某一時刻形成的，而不是精光磨階段，也不在磨削終止以后。因此，可以通過改進優化磨削參數及磨削砂輪冷卻條件來降低磨削熱量的產生，以此來控制磨削表面殘余應力的性質和大小。

圖4 三類磨削條件下產生的表面殘余應力

（3）由表2數據還可知，提高了曲軸的生產回火溫度會帶來兩個好處：①降低了表層淬硬層硬度及材料脆性，提高了表層材料的斷裂韌性；②使曲軸淬硬層在磨削前得到充分回火及組織轉變，經較高溫度回火的組織較穩定不容易發生轉變，從而提高了曲材料抗深度回火的能力，有效抑制磨削時可能產生的組織轉變，消除了磨削裂紋。

4 改進措施及效果

確定了中頻淬火球鐵曲軸表面裂紋的產生原因后，經多次試驗和反復摸索比較，采取了以下措施來消除球鐵曲軸軸表面的磨削裂紋現象。

（1）為了最大限度帶磨削區的熱量，保證對砂輪表面進行沖洗，使其空隙不易被磨屑堵塞，可采用高壓大流量冷卻液，并在冷卻液噴嘴加裝空氣擋板，見圖5，在冷卻液噴嘴加裝空氣擋板可減輕砂輪圓周表面的高壓氣流作用使冷卻液易進入磨削區獲得良好的冷卻效果。同時要注意控制冷卻液溫度在35℃以下，同時保持冷卻液清潔無油污。

圖5 加裝有空氣擋板的冷卻液噴嘴

（2）選用硬度較軟、粒度較粗的砂輪，可以提高砂輪自銳性，同時砂輪也不易堵塞，可以降低磨削熱。通過試用，軸頸表面燒傷情況明顯好轉，但工件表面粗糙度受到一定影響。

（3）磨削加工分粗磨和精磨，即粗磨選用粒度較粗的軟砂輪磨削，便于強力磨削，提高效率，然后再用粒度細的砂輪進行精磨（背吃刀量較淺），即分粗磨和精磨兩道工序進行加工。

（4）嚴格控制好粗磨的進給量，因為磨削裂紋往往是在進給量大的粗磨階段產生的，而且磨削裂紋一旦發生，它會隨著下次的磨削進給向下延伸，要想在隨后的精磨或光磨除掉幾乎不可能了。

（5）降低砂輪的線速度，過高的砂輪線速度也是導致淬硬度曲軸磨削裂紋的原因，把線速度由原來的45 m/s降到38～40m/s，能有效消除裂紋的產生。

（6）防止球鐵曲軸在磨削時產生深度回火出現燒傷現象，最直接有效的措施就是在滿足使用的前提下盡可能降低球鐵曲軸的硬度要求，以便生產時能采用更高的溫度來回火，來提高材料抗深度回火的能力。經驗證，球墨鑄鐵曲軸的中淬火硬度要求由原來的48～55HRC降低至44～51HRC，回火溫度則由原來的340℃可提高至400℃，此時球鐵曲軸軸頸的耐磨性對于柴油機來說仍可以滿足使用要求。

在實施了上述整改措施后，球墨鑄鐵曲軸磨削表面開裂現象明顯下降，經兩年多的加工驗證，效果穩定滿意。

5 結束語

本文依據熱處理及磨削加工原理，對于生產中出現的球墨鑄鐵曲軸磨削表面存在網狀裂紋的原因進行了全面分析，并探討了控制和消除磨削裂紋的工藝方法，采取相應措施后能有效地保證了曲軸軸頸磨削加工的表面質量，確保球墨鑄鐵曲軸的正常生產及推廣應用。

[1]華南工學院，甘肅工業大學．金屬切削原理及刀具設計[M]．上海：上海科學技術出版社，1979：184-221．

[2]周澤華．金屬切削原理[M]．上海：上海科學技術出版社，1993：234-263．

[3]劉潔．機械工程師簡明手冊[M]．鄭州：河南科學技術出版社，1989：1421-1436．

The Causes and Countermeasures of G rinding Crack of Intermediate Frequency Quenching Crankshaft

YANG Mei-quan，LI Yong-qiang
（Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin Guangxi537005，China）

The surface grinding burn is what the metal surface of the work piece creates a very thin oxide with the instantaneous high temperature in grinding process.This may cause the surface grinding temper softening to the work piece of quenching hardware，serious and even crack，impact wear resistance and service life of the work piece.Based on the shaft neck surface crack of nodular cast iron crankshaft of a certain type of engine when grinding after medium frequency quenching as an example，the reason of grinding burn and cracks on the shaft neck surface was studied and analyzed，and the method to eliminate grinding cracks was introduced from two aspects of the heat treatment process and grinding process.

nodular cast iron crankshaft；grinding heat；surface burn；grinding crack

TG 156.3

A

1672-545X（2017）02-0101-03

2016-11-23

楊美全（1966-），女，廣西百色人，工程師，主要從事熱處理技術及內在質量檢驗工作；李勇強(1971-)，男，廣西靈山縣人，工程師，主要從事現場熱處理工藝改進及研究。