减少渗碳淬硬齿轮磨削裂纹的工艺研究

武永福，胡传朋，李涛涛，王 孟

（山推工程机械股份有限公司,山东 济宁 272000）

机械加工中，渗碳淬硬齿轮在磨削过程中出现磨削裂纹是常见的难题。以我公司某机型推土机中传动轴齿轮为例，材质为20CrMnMo，热处理工艺为渗碳淬火。渗碳钢的优点是渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能；缺点是磨削时易产生裂纹，在磨齿和磨削端面过程中，经常出现龟裂状磨削裂纹，裂纹深度为0.1～0.2mm，甚至在磨削面上出现带烧伤的裂纹带。

由于齿轮轴为推土机传动动力的主要部件，转速高，承载负荷大。在工作状态下，齿轮轮齿处于周期应力状态，并且齿轮轮齿的接触比压很大，齿面还有滑动及摩擦。所以，磨削裂纹在一定程度上对齿轮失效造成一定的影响。为了解决上述问题，提高齿轮加工质量，现对防止渗碳淬火齿轮出现磨削裂纹的问题进行了研究，并制订了改进措施。

1 原因调查

针对传动轴齿轮磨削裂纹现象进行深入研究，对其逐一做了硬化层、金相组织等项目检验，具体见表1。

硬化区和金相组织检验，详见图1和图2。通过检测发现，在有裂纹的地方发现二次淬火白亮层，在没有裂纹的齿上也发现白亮层，白亮层位于齿的两侧。

图1 硬化区：马氏体+残奥（500×）

图2 磨削面：白亮层0.23mm（100×）

表1 传动轴齿轮各项检验数据

2 磨削裂纹的产生机理分析

从金相组织的检测报告来看，裂纹是在磨削过程中产生的，简称磨削裂纹。众所周知，淬火钢渗碳淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，残余奥氏体在常温下处于膨胀状态。

据相关试验证明，砂轮和齿轮表面接触的瞬间，磨削区的温度很高，当砂轮的线速度为ν=18m/s，磨削深度t=0.05mm时，磨削区温度达900～1100℃。

磨削过程中，工件表面受到强烈的摩擦、挤压及切削作用。磨削过程中的摩擦和挤压剧烈时，它的能量绝大部分将转化为热能，其中传入工件的热能高达80%。而磨粒的切削刃与切屑接触点的瞬时温度可达1 000℃，传入工件的热能又集中于磨削部位的表层，造成表层温度高，里层温度低，因表层和里层的温度差导致受热膨胀的体积大小不能同步，致使内外层相互之间的牵制，形成了热变应力。

同时，在磨削过程中，在磨削热的作用下，金属组织发生了相应的变化。若温度超过720℃左右的相变温度时，表层组织要发生相变。在磨削热的作用下，表面一薄层内的回火马氏体变成了较高温度的马氏体，同时马氏体析出碳化物，残余奥氏体进一步分解成回火马氏体或回火索氏体，在随后的冷却过程中组织不再发生变化。在回火层中，由于磨削瞬时温度达到1 000℃，马氏体组织被加热到临界温度以上，在随后的冷却过程中产生了淬火组织。在回火层以下，由于受磨削热影响小（通常为200～300℃），所以只产生残余奥氏体的转变，组织转变为二次淬火组织，见图3。由于不同的金相组织，其体积大小是不同的，体积的增大与缩小，导致金相组织外层与内层相互之间的牵制作用，形成了相变应力。

若将磨削时的表层温度控制在720℃内，不产生相变，也就不会形成相变应力。如果表层温度超过相变温度720℃时，在温度剧升和相变的双重因素作用下，表层的体积向外膨胀，沿周边伸长。但是，温度向内层传递较慢，里层温度低，膨胀也慢，使外层膨胀受到阻碍，进而使外层在周边上不能伸长，造成外层的压应力，这时不会产生裂纹。当磨削液使工件冷却时，表层迅速收缩，这时里层温度变化不大，不能同步收缩，里层对表面极薄层收缩的阻碍作用，形成表层的拉应力，使表层开裂，出现裂纹。

图3 齿轮结构层1－表层—马氏体+碳化物+回火索氏体；2－回火层—淬火组织；3－回火层以下—二次淬火组织

总之，工件在磨削时，工件内部产生热变应力、相变应力及砂轮磨削造成的撕裂力，在这3个力的形成合力，该合力的方向与切削方向一致。在该合力的作用下产生与其相反方向的内应力，如果工件渗碳层的强度和金属组织应力大于该内应力，则磨削工件不会产生裂纹，反之，产生裂纹。

3 预防措施

从上述分析来看，渗碳淬火钢的磨削裂纹主要由热变应力、相变应力及磨削过程中的挤压力造成，为了减少磨削裂纹的产生，主要从机械加工、时效处理及热处理3个方面来控制。

3.1 磨削工艺改善措施

在磨削工序，主要通过减少磨削过程中的磨削热量来防止产生热变应力和相变应力。目前，我公司齿轮轴磨削裂纹主要出现在两方面：①在外圆磨床MQ1332靠磨齿轮轴两端面时，易出现龟裂状磨削裂纹甚至表面烧糊现象；②磨齿工序，易在齿面上出现磨削裂纹，磨齿机床为展成磨齿机。为了减少磨削热量，主要从冷却和砂轮自锐性两方面来解决，具体解决方法如下。

1)由于磨削齿轮轴两端面时，用双平面砂轮靠磨端面，接触面积大排屑能力差，冷却效果不理想，产生较大的磨削热量，且在砂轮磨削刃与工件接触的瞬间，冷却液无法及时浇到磨削区，随后冷却液的冷却导致磨削表面二次淬火，针对这一问题，主要从砂轮硬度、粒度和砂轮结构两方面进行了改进：①砂轮硬度和粒度的选择：降低砂轮硬度，增大粒度，一方面提高砂轮的自锐性，另一方面减少单位面积的磨粒数量。硬度主要决定于结合剂的性能、数量以及砂轮制造的工艺，选择的原则是：加工软金属时，为了使磨粒不致过早脱落，造成材料浪费，则选用硬砂轮。加工硬金属时，为了能及时地使磨钝的磨粒脱落，从而露出具有尖锐棱角的新磨粒，提高工作效率，应选用软砂轮。选择砂轮的硬度，实际上就是选择砂轮的自锐性。砂轮粒度选择的原则是：砂轮的粒度越小，在单位表面上参与切削的磨粒越多，从而产生的磨削热就越大。在满足表面磨削粗糙度的情况下，粒度越大越好；②砂轮形状：将双平面砂轮结构改为单面凹带锥砂轮，锥度α、外圆直径D及宽度L根据磨床型号和磨削余量确定，详见图4。从而在磨削齿轮轴端面过程中，砂轮端面与齿轮端面为线接触，有效地减少了磨削热量，且冷却液能及时浇到磨削区，使冷却液带走大部分的磨削热量。另外，在磨削过程中，该结构砂轮自锐性好，避免了砂轮与工件间的摩擦挤压，磨削力和磨削热显著降低，有效地解决了工件表面烧伤和产生细小裂纹。在整个磨削过程中，冷却效率高，磨粒保持锋利，同时避免了操者修整不及时问题。

图4 平面凹带锥砂轮

2）针对于齿面磨削裂纹，有2种解决方法：改善磨削工艺和改进砂轮材质。①改善磨削工艺：将磨齿工序分粗、精磨。粗磨时选用粒度较粗的硬砂轮磨削，便于强力磨削，提高效率。精磨时，选用粒度细的微气孔砂轮，在磨削过程中，微气孔砂轮的气孔中存储的冷却油一方面起到润滑作用，另一方面能有效地对磨削区进行冷却，有效地解决了磨削区温度高问题；②改进砂轮材质：将砂轮材质白刚玉（WA）改为铬刚玉（PA）。铬钢玉砂轮与白刚玉砂轮相比，有磨粒锋利，磨除率高等特点，能有效地减小磨削热。但由于铬钢玉锋利耐用度高，从而修整频率减少，易造成气孔被切屑堵塞。所以相应的要减小砂轮铬钢玉的粒度，且降低其硬度。我公司将60#的砂轮粒改为40#，硬度由L级改为K级。

3.2 自然时效处理：

对于刚出炉的工件，必须待工件自然冷却到常温后，进行磨削加工。如果时间允许，最后让工件自然时效1～2个星期，消除内应力后再进行磨削，能到达减少磨削裂纹的有效办法。

3.3 热处理方面

从上述分析可知，产生磨削裂纹的根本原因在于淬火工件在磨削过程中其组织发生转变，产生相变应力，要减少和消除这种应力的途径之一是必须将淬火后的工件立即回火处理。回火温度应在150～300℃左右.回火时间必须在4h以上，具体视工件情况而定。有时经一次回火后仍可能产生磨削裂纹，这时可以进行二次回火或人工时效，这样能有效地减少裂纹产生的几率。

4 结 论

综上所述，渗碳淬硬齿轮的磨削裂纹问题是一项复杂的工艺问题，究其原因，引起裂纹的主要因素是磨削热导致工件组织的变化，导致工件内部产生热变应力、相变应力及砂轮磨削造成的撕裂力，在这3个力的合力方向与切削方向一致。在该合力的作用下产生与其相反方向的内应力，如果工件渗碳层的强度和金属组织应力小于该内应力，则磨削工件产生裂纹。为了减少该类淬火钢的磨削裂纹，必须在渗碳淬火时进行回火处理，并进行适当的自然时效处理，以保证工件内部组织稳定。另外，在磨削过程中，保证砂轮锋利、冷却充分，以降低磨削热的产生。