軋鋼機滲碳淬火齒輪磨削裂紋產(chǎn)生原因及預防措施

許鴻翔, 張 衡, 郭文儀, 盧金生

(鄭州機械研究所有限公司, 鄭州 450001)

齒輪是機械產(chǎn)品的重要基礎零部件，磨齒是齒輪加工的一種精加工工藝，磨齒不僅能修正齒輪預加工產(chǎn)生的各項誤差，而且能顯著提高齒輪箱的整體精度。隨著對齒輪精密化要求越來越高，高效率、高精度控制是企業(yè)生產(chǎn)追求的目標。磨削加工中，磨削熱中的60%～95%的熱量瞬時直接傳給工件，這些熱量聚集在表層形成局部高溫，超過臨界值時就會造成熱損傷[1]。熱處理時如造成如組織中有粗大網(wǎng)狀或條塊狀碳化物、殘余奧氏體含量高、表面碳含量過高且波動較大、畸變較大[2-5]等，或在磨削加工時因砂輪種類、砂輪硬度及粒度、進給量、沖程速度、冷卻條件[6-7]等選取不合理，均會增大磨削裂紋的敏感性。

在齒輪生產(chǎn)制造過程中，由于多種因素造成齒面磨削后出現(xiàn)缺陷，如磨削燒傷、磨削裂紋、磨削臺階等，其中磨削裂紋是在發(fā)生了嚴重的磨削燒傷后產(chǎn)生的,會嚴重影響齒輪的制造精度、產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。為找到產(chǎn)生缺陷的原因，筆者結合某企業(yè)在生產(chǎn)中出現(xiàn)磨削裂紋的兩個典型案例進行分析，以避免此類事故再次發(fā)生。

1 案例1

出現(xiàn)磨削裂紋的軋鋼機齒輪軸材料為17CrNiMo6鋼，模數(shù)mn為18 mm，滲碳淬火工藝要求為工藝滲碳層深3.30～3.70 mm，表面硬度58.0～62.0 HRC。加工流程為鍛后正火→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→滾齒→滲碳淬火→噴丸→精車→磨齒。

1.1 宏觀分析

該軋鋼機齒輪軸經(jīng)磨齒后在放置的過程中發(fā)現(xiàn)齒面出現(xiàn)指甲蓋或龜背狀的凸起裂紋，嚴重處借助手工就可翹起,如圖1所示。齒面裂紋處發(fā)現(xiàn)月牙形的磨削燒傷白亮層及深色磨削回火層，如圖2所示。磨削白亮層最大深度為0.25 mm、長度為3.60 mm，磨削回火層深度為1.00 mm。

圖1 出現(xiàn)裂紋的齒輪軸齒面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of tooth surface of gear shaft with cracks

圖2 齒面裂紋處滲碳層形貌Fig.2 Morphology of carburized layer at tooth surface crack

1.2 化學成分分析

采用ARL 3460型直讀光譜儀對齒輪軸基體進行化學成分分析，結果如表1所示，可見基體的化學成分滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對17CrNiMo6鋼的要求。同時對軋鋼機齒輪軸的齒面進行碳含量測定，結果為0.81%(質(zhì)量分數(shù))，滿足標準的要求。

表1 齒輪軸的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of gear shaft (mass fraction) %

1.3 非金屬夾雜物檢驗

在軋鋼機齒輪軸出現(xiàn)磨削裂紋處取樣進行非金屬夾雜物檢驗，結果為細系：A0.5，B0，C0，D0.5，粗系：A0e，B0e，C0e，D0e,可見齒輪軸原材料非金屬夾雜物均未超標。

1.4 微觀分析

采用光學顯微鏡對無裂紋的完好齒面進行金相檢驗，結果如圖3所示，可見顯微組織為細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+彌散分布的細顆粒狀碳化物，依據(jù)JB/T 6141.3-1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》的技術要求進行評級，結果為馬氏體+殘余奧氏體2級，表層碳化物1～2級，均符合標準的要求。

圖3 無裂紋齒面滲碳層顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of carburized layer onnon-cracked tooth surface

磨削裂紋處白亮層形貌如圖4所示。為進一步確認白亮層的組織形貌，采用Phenom XL型臺式掃描電鏡(SEM)對其進行分析，可見白亮層組織為快速加熱冷卻下的淬火態(tài)隱晶馬氏體，SEM形貌如圖5所示。

圖4 磨削裂紋處白亮層形貌Fig.4 Morphology of white bright layer at grinding crack

圖5 磨削裂紋處白亮層SEM形貌Fig.5 SEM morphology of white bright layer at grinding crack:a) at low magnification; b) at high magnification

1.5 硬度測試

對無裂紋齒面與裂紋齒面分別進行硬度梯度測試，硬度梯度曲線如圖6所示，裂紋齒面硬度梯度曲線表現(xiàn)為高(白亮層)-低(深色磨削回火層)-高(正常滲層組織)特征，表明存在磨削燒傷層，與宏觀及顯微組織形貌特征一致。磨齒余量為0.40 mm，磨齒后軋鋼機齒輪軸滲碳淬火有效硬化層深度為3.00～3.10 mm，滲碳淬火工藝層深合格。

圖6 無裂紋齒面與有裂紋齒面的硬度梯度曲線Fig.6 Hardness gradient curves of cracked andnon-cracked tooth surfaces

2 案例2

失效軋鋼機齒輪材料為17CrNiMo6鋼，模數(shù)mn為9 mm，滲碳淬火工藝要求為有效硬化層深度2.00～2.50 mm，表面硬度58.0～62.0 HRC，磨齒單邊余量0.30 mm。加工流程與案例1相同，該齒輪在使用6 a(年)后檢修時發(fā)現(xiàn)齒面出現(xiàn)裂紋。

首先對該失效齒輪進行化學成分分析、非金屬夾雜物檢驗，并對齒根處進行金相檢驗和硬度測試，檢驗結果均合格。將該齒輪垂直于開裂齒面切開，制取金相試樣，未經(jīng)浸蝕的裂紋形貌如圖7所示，可見裂紋在距表面0.60 mm位置處分叉，裂紋總深度為1.50 mm。試樣經(jīng)體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后裂紋處的顯微組織形貌如圖8所示，可見裂紋起源處存在磨削燒傷層，整體形貌呈月牙形，最大深度為0.20 mm，長度為5.0 mm，深色磨削回火層深度為0.70 mm。

圖7 失效齒輪浸蝕前的裂紋形貌Fig.7 Crack morphology of failed gear before etching

圖8 失效齒輪浸蝕后的裂紋形貌Fig.8 Crack morphology of failed gear after etching

失效齒輪磨削燒傷層處的硬度梯度曲線呈和案例1一致的高-低-高特征，硬度梯度對應的顯微硬度壓痕如圖9所示，可見磨削燒傷層處的壓痕小、硬度高，深色磨削回火層的壓痕大、硬度低。在普通光學顯微鏡下，滲碳層高溫回火組織與極細滲碳淬火組織不易區(qū)分，因此，為了提高清晰度，根據(jù)不同溫度的回火組織對浸蝕劑反應的敏感性不同，通常對試樣采用淺浸蝕[8]。

圖9 磨削燒傷層處的顯微硬度壓痕Fig.9 Microhardness indentations at grinding burn layer:a) at high magnification; b) at low magnification

3 分析與討論

案例1中的軋鋼機齒輪軸采用成形磨齒機磨齒，采用3SG60型砂輪加工。前期磨削過程中齒輪分度圓以上的部分未參與切削加工，而分度圓以下特別是滾刀過渡圓弧上端位置切削去除量較大。同時，粗磨時進給量較大，且需要對同一齒槽磨削多次，容易引起滲碳淬火齒面回火、二次淬火等問題。粗磨時原工藝進給量為0.100 mm，且同類工件中并未出現(xiàn)磨削燒傷、磨削裂紋等現(xiàn)象，通過查閱現(xiàn)場生產(chǎn)記錄發(fā)現(xiàn)，為保證交貨工期，增大了該齒輪軸粗磨時的進給量，為0.180 mm，為保證精度和表面粗糙度達標，精磨時進給量仍保持不變。粗磨時進給量的增大，造成磨削熱過高，磨削局部高溫，超過相變點AC1，經(jīng)過冷卻液急冷后，最表層形成未經(jīng)回火的二次淬火白亮層，硬度高且脆性大，滲碳層最終形成高-低-高的典型磨削淬火燒傷硬度分布特征。前期切削量過大的部位主要集中在齒面分度圓以下，因此磨削燒傷主要集中于該位置處。齒輪軸在放置的過程中磨削表面所受應力大于其斷裂強度時將產(chǎn)生裂紋。因此，軋鋼機齒輪軸磨削裂紋主要位于齒面分度圓以下，如圖1和圖2所示。該齒輪軸發(fā)現(xiàn)磨削裂紋后，暫停對該批次后續(xù)5件的磨齒加工，將粗磨時進給量改為0.120 mm，且粗磨后2 h內(nèi)進行去應力回火，對該5件齒輪軸進行金相檢驗，均無磨削燒傷。

案例2中軋鋼機齒輪的磨齒工藝與齒輪軸的相同，熱處理畸變較大，且在磨齒前未能準確測量磨齒余量，導致首次粗磨時進給量過大。齒輪首次粗磨時的進給量局部達到0.190 mm，導致局部磨削熱過高，進而導致磨削裂紋。從使用后磨損痕跡分析，齒面受力接觸區(qū)域?qū)挾茸冋X面局部受力較大，且齒面磨削燒傷使表面形成拉應力，運行時在外力作用下，表面首先產(chǎn)生裂紋，白亮層下面至0.60 mm處為磨削回火層，硬度較低，為45.0 HRC左右，使得裂紋較容易擴展，當擴展到正常滲碳淬火層組織時，硬度增大到55.0 HRC左右，單條裂紋擴展受阻，開始產(chǎn)生分支后繼續(xù)擴展。

4 預防措施

造成磨削裂紋的因素較多，需對以下幾個方面綜合控制。(1)滲碳淬火后表面馬氏體應為隱晶狀或細針狀；(2)殘余奧氏體含量控制在20%(面積分數(shù))以內(nèi)；(3)表面碳含量控制在0.7%～0.9%(質(zhì)量分數(shù))，且碳含量梯度下降平穩(wěn)；(4)碳化物呈彌散細顆粒狀分布；(5)嚴格控制熱處理畸變；(6)保證回火溫度和回火時間；(7)合理選擇砂輪；(8)合理的磨齒工藝；(9)磨齒時充分冷卻。

磨齒工藝的合理制定及執(zhí)行至關重要，針對熱處理變形較大的齒輪應準確測量實際的磨削余量，并嚴格控制粗磨初期的進給量，同時限定磨齒機的過載電流。當發(fā)現(xiàn)磨削燒傷時，應在2 h內(nèi)進行去應力回火，防止應力過大進一步造成磨削裂紋。

5 結論

滲碳淬火齒輪磨齒工藝不當(粗磨時進給量過大)會導致最表層形成拉應力狀態(tài)的二次淬火白亮層，白亮層組織為快速加熱冷卻下的淬火態(tài)隱晶馬氏體，硬度高且脆性大，同時次表層磨削回火層硬度下降10 HRC左右，使?jié)B碳層最終形成高-低-高的典型磨削淬火燒傷硬度分布特征。磨削燒傷層的顯微組織和應力狀態(tài)，易誘發(fā)裂紋并造成工件早期失效。采用成形磨齒機磨齒時，磨削裂紋一般位于分度圓以下。建議磨齒后進行檢驗，發(fā)現(xiàn)磨削淬火燒傷時應立即進行去應力回火，避免進一步產(chǎn)生磨削裂紋。