工件磨削退火后的質量檢測

趙步青

安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

1 序言

筆者1968年大學畢業后一直在企業從事熱處理技術工作，先后供職過15個單位，深知各廠對磨削退火（簡稱“磨退火”）問題十分重視，但在經濟效益的驅動下，磨削退火現象還是很常見，且幾乎在每個廠都有發生，只是產生磨削退火的數量和程度不同而已。磨削退火工件可從表面顏色、硬度、金相上進行鑒別，以下分別作簡單介紹。

2 外觀觀察

工件的磨削過程包括摩擦、擠壓和切削3個部分，實質上是砂輪對磨件表面的摩擦、擠壓和切削，與車、銑、刨等機加工方法的不同之處在于磨削速度快（為車削、銑削加工的20倍），磨屑尺寸小，且散熱效果差，其單位切削面積消耗的功率90%以上都轉換成熱能[1]，磨削熱的大量積累可能使磨削面溫度高達600℃，甚至上千度，從而在表面形成很大的溫度梯度，如此溫度超過了工件的最終回火溫度，必然導致硬度下降，人們把這種觀象叫作磨削退火。磨削退火的輕重程度可從被磨面的顏色判定，往往呈黃色、藍色、深灰色和黑色，顏色越深，退火程度越嚴重。

磨削裂紋是常見的缺陷，肉眼可見。圖1所示為高速鋼麻花鉆產生的磨削裂紋。從圖1可看出，表面出現很多平行或網狀的細小裂紋。

圖1 鉆頭磨削裂紋

圖2所示為錳鋼制塞規淬火后未回火產生的磨削裂紋。

圖2 塞規磨削裂紋

圖3所示為WI8鋼破切刀在磨削表面時因造成很大的多向應力而形成龜紋狀的磨削裂紋。沿工件橫截面制備的顯微試樣，觀察到較粗大的淬火晶粒。表面裂紋沿晶界面蜿蜒引伸，裂紋深度0.16～0.35mm，如圖4所示。

圖3 破切刀磨削裂紋

圖4 破切刀磨削裂紋金相（320×）

圖5所示為鉻錳鎢鋼制冷沖模，經淬火、回火后進行磨削加工，即在兩平面出現不同長度的磨削裂紋。

圖5 冷沖模磨削裂紋

3 硬度檢測

硬度檢測是以數字化表達的形式，無可爭辯，但往往“甩鍋”熱處理，造成不少“冤假錯案”。某公司供給客戶的木材旋切刀，使用一段時間后自家修磨，因磨削退火而造成刀刃硬度下降，如圖6所示。

圖6 旋切刀修磨退火

高速鋼制機用絲錐由于磨削退火，表面硬度下降太多，因此無法進行切削，經檢測，未磨前硬度為64HRC，磨削退火后僅為53RC，切削試驗中，由于硬度低、負荷大而使一些尖齒崩落，如圖7所示。

圖7 絲錐磨削退火后崩牙

當磨削產生的熱量使溫度超過其回火溫度以上時，即會發生軟化，在工件表面出現氧化色澤，硬度下降程度可用HV法進行測量。圖8所示為CrW5鋼制冷擠沖頭，在使用時發現極易磨損，在磨損處橫斷面取樣，經4%硝酸酒精溶液浸蝕，發現沖頭外圓有深度0.15mm的磨削退火區域（回火托氏體，硬度由原865HV下降到512HV）。

圖8 冷擠沖頭磨削退火

圖9所示為M2鋼制φ60mm×1.5mm螺釘槽銑刀，用戶反映很快磨損，顯微硬度測定比基體要低4.5～9.5HRC。由于刀口產生磨削退火，硬度下降嚴重，因此造成很快磨損。螺釘槽銑刀磨削退火硬度下降情況見表1。

表1 螺釘槽銑刀磨削退火硬度下降情況

圖9 銑刀磨削退火

圖10所示為65Mn鋼制卡尺框磨削裂紋形貌。由圖10可見，在不光滑表面出現明顯磨削裂紋，且硬度明顯下降。將有裂紋的尺寸框進行平磨試驗，每次小心地磨去0.05mm后檢測一次硬度值，隨著距表層距離的增大，受熱溫度逐漸降低，使硬度呈拋物線上升，見表2。由此可見，越趨向于表面，受熱溫度越高，其熱量是由表面磨削熱產生的。

圖10 卡尺框磨削退火裂紋

表2 卡尺框磨削退火后硬度變化情況

4 金相檢測

磨削退火的刀具表面瞬時溫度很高，甚至接近淬火溫度，經空氣或冷卻液冷卻后，表面產生二次淬大現象，鄰近二次淬火區的組織經熱傳導造成退火區，其硬度下降。圖11所示為高速鋼W18滾刀磨削退火后的金相組織。從圖11可看出，最外層淬火區金相組織為馬氏體+奧氏體+碳化物；次層退火區為屈氏體+馬氏體+碳化物；心部為回火馬氏體+碳化物。

圖11 滾刀磨削退火后的金相組織（320×）

圖12所示為65Mn鋼制游標卡尺框磨削退火后的金相組織，表層為再淬火的馬氏體組織，心部仍為正常的回火馬氏體組織。

圖12 卡尺框磨削退火的金相組織（320×）

圖13所示為W18鋼制收割機刀片沖齒切邊模，刃磨不當造成退火。從圖13可見，磨削痕跡處金相組織為淬火馬氏體+殘留奧氏體+呈塊狀、粒狀分布的碳化物，奧氏體晶界很清晰，而在磨削痕跡組織的兩側，則為回火充分的馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體[2]。

圖13 切邊模磨削退火（500×）

5 酸蝕檢測

如果已經造成了磨削退火，表面顏色肯定有變化，有些操作工往往為掩蓋真相而用油石等輕微打磨，退火色即消失，但用酸蝕試驗，就會使假相暴露無遺。對于磨削退火的高速鋼工具，在酸蝕試驗中最常用的是4%硝酸酒精溶液。圖14所示為多家絲錐磨削退火的金相組織照片。如已產生磨削退火而不致裂，但肉眼看不清，則用工業稀硝酸浸蝕相關部位30s即可明了。

圖14 絲錐磨削退火程度不同的照片（500×）

檢查磨削退火最可靠的方法為：用體積分數為3%～8%硝酸酒精溶液浸蝕磨削退火部位，然后再用體積分數為8%～10%鹽酸酒精溶液明化，并在碳酸鈉水溶液中進行中和，隨后吹干或晾干，即可清晰地將各種磨削退火顯現出來。

6 產生磨削退火的原因

產生磨削退火甚至磨削裂紋時，除了極少數是材料問題，大部分是人為因素造成的，概括起來有如下幾方面的原因。

1）淬火后未回火或回火不充分，組織中有較多的殘留奧氏體。

2）吃刀量大，造成被磨面溫度迎速上升，內部組織發生變化并產生熱應力。

3）走刀速度過慢。實踐證明，在相同進給量的情況下，走刀速度慢，摩擦產生的磨削熱不易散去，容易造成磨削退火。

4）砂輪鈍化。應選擇合適的砂輪并適時修磨。使用一段時間后砂輪必然鈍化，如不及時修磨，砂輪在工件表面產生摩擦，其動能大部分轉變成熱能，使被磨削工件表面溫度升高，從而造成磨削退火。

5）機床精度差。設備的精度、穩定性，以及進刀機構的靈敏性，對磨削的均勻性有一定的影響，因而會影響磨削質量。

6）冷卻方法。很多刀具刃磨為干磨，有的因冷卻不到位，都會造成工件磨削退火甚至產生磨削裂紋。

7）其他突發因素的產生也會產生磨削退火，如機床故障、停電等。

7 結束語

磨削退火是機械行業的通病，一定要認真對待，一把好的刀具可能要反復修磨幾十次甚至上百次，每次修磨均要防止磨削退火，避免由此給企業帶來經濟損失，在技術創新的道路上要砥礪奮進，為機械工業的騰飛發揮我們的光和熱。