20CrMnMo渗碳齿轮磨削裂纹原因分析

2015-02-24王孟刘洋李炎谷浩鹏王忠

金属加工(热加工) 2015年13期

■王孟，刘洋，李炎，谷浩鹏，王忠

■王孟，刘洋，李炎，谷浩鹏，王忠

大型工程机械传动齿轮要求具有较高的加工精度、耐磨性及抗疲劳强度，故这类齿轮材料常选用20CrMnMo，热处理工艺为渗碳淬火，但渗碳淬火后齿轮齿面精度较差，要对其齿面进行磨削加工。磨削时由于磨削工艺、齿轮本身金相组织等问题常出现磨削裂纹现象。

磨削裂纹产生主要由内外两个原因造成的。内因：齿轮的金相组织不合格造成磨削裂纹的产生；外因：磨削加工产生的热应力、组织应力造成磨削裂纹。本文针对我公司出现的几种磨削裂纹现象进行分析。

1. 金相组织致使磨削裂纹

我公司20CrMnMo渗碳齿轮磨削时，发生磨削裂纹现象，磨削10件齿轮，裂纹6件。裂纹齿轮如图1所示，为进一步检验裂纹状况，我们在裂纹的齿部截取1、2、3号试样，1、2号用于分析齿轮的化学成分、金相组织等，3号试样用于着色检测，检测结果如图2所示。

从图2着色检测情况看，裂纹数量非常多且接近于平行状，裂纹非常细小，规则排列成条状，并垂直于磨削方向。从裂纹形貌看，属于较为典型的磨削裂纹，这类裂纹是由于回火不充分、残留奥氏体含量过高所致。

分析齿轮的金相组织，齿轮渗碳层的金相组织如图3a所示，可以看出组织为马氏体、残留奥氏体、碳化物，残留奥氏体含量（体积分数）约在30%，碳化物级别为3级。按照《JB/T 6141.3—1992 重载齿轮渗碳金相检验》标准评判，此金相组织为4级，残留奥氏体含量较高，致使磨削时组织转变量较多，表面应力较大，存在磨削裂纹潜在危险，验证了我们之前的分析。该齿轮心部组如图3b所示，组织为板条状马氏体。

观察裂纹处的金相组织，如图4所示，裂纹深度为0.3mm。从裂纹处的金相组织可以看出裂纹处及表层0.1mm的残留奥氏体大部分已经发生转变，而裂纹向内超过0.3mm的地方，仍有较高含量的残留奥氏体，这是由于磨削热致使表面薄层内的残留奥氏体发生转变，薄层以内组织未发生转变，仍含有较多的残留奥氏体。

图1

图2　着色检测

图3

2. 磨削工艺致使磨削裂纹

磨削工艺是否合理同样是造成磨削裂纹发生的另一个重要原因，图5为磨削时产生的裂纹齿轮试样。裂纹自齿顶处开始，沿

渗碳层深度与基体相接处延伸扩展，整体长度约20mm，裂纹深度为2mm。

检验齿轮渗碳层组织及心部组织如图6所示，渗碳层组织为马氏体+残留奥氏体+碳化物，残留奥氏体含量（体积分数）为20%，碳化物为2级，金相组织满足要求。

处理裂纹处试样，观察腐蚀后的试样，如图7所示。从图7b可看出齿面有一层明显的非常薄的白亮带，宽度0.10～0.15mm，该处白亮带是由于二次淬火形成的马氏体组织，该组织的形成是由于磨削区磨削进给量非常大或冷却不足时，磨削区的温度非常高，达到了奥氏体化临界温度以上，随后冷却时，形成了淬火组织，此时组织变化造成比体积随之发生变化，产生了压应力。在白亮层以下，受磨削热的影响，温度可达到200～500℃，致使残留奥氏体转变生成马氏体，这一转变比体积增大，在工件内部产生相变应力，再加上砂轮磨削工件时所造成的撕裂应力，造成磨削裂纹。

为进一步验证我们的判断，使用显微硬度计检测白亮带及其附近区域的硬度情况，如图8所示。白亮带硬度为618HV0.3，硬度非常高，组织为淬火马氏体，是由于磨削过热二次淬火造成的；白亮带以里硬度为396HV0.3，组织为回火索氏体，磨削过多的热量对白亮层内侧造成回火所致。