對齒輪而言，相比其他熱處理工藝，滲碳淬火具有最好的綜合力學(xué)性能，因此滲碳工藝在高參數(shù)齒輪的生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。20Cr2Ni4 鋼為高強(qiáng)度合金滲碳鋼，淬透性好、心部硬度高、韌性好，常用于重載齒輪及承受沖擊載荷較大的齒輪，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、 礦山機(jī)械、電站、船舶、航空等領(lǐng)域。滲碳淬火工藝能明顯提高齒輪的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，其后續(xù)的磨削工序也很關(guān)鍵，如果磨削參數(shù)不當(dāng)，會(huì)造成齒面的磨削裂紋和磨削燒傷，尤其是磨削燒傷會(huì)直接導(dǎo)致齒輪報(bào)廢，不但耽誤工期，還造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文對 20Cr2Ni4 鋼弧齒錐齒輪滲碳淬火磨削后的齒面裂紋進(jìn)行了檢測分析，并提出了改進(jìn)措施。
一、試驗(yàn)材料和方法
20Cr2Ni4 鋼滲碳淬火磨削后開裂的弧齒錐齒輪外形如圖 1(a) 所示，模數(shù) m = 14，圖紙要求有效滲碳層深為 2.2 ～ 2.6 mm，加公法線磨量后工藝滲碳層深為 2.5 ～ 2.9 mm，表面硬度 58 ～ 62 HRC，熱處理工藝曲線如圖 2 所示?；↓X錐齒輪磨削后數(shù)個(gè)齒面有裂紋，裂紋大多靠近錐齒輪大端，在齒的凹面和凸面均有分布;遂在弧齒錐齒輪靠近大端一開裂齒部取樣分析，取樣位置如圖 1(b) 所示，分別測試了齒塊心部未滲碳部分的化學(xué)成分以及齒面節(jié)圓和齒根不同部位的有效硬化層深度，用 LEICA DMI 3000M 光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用 HXD-1000TMC/LCD 顯微硬度計(jì)測試有效硬化層深度，用 TIME5310 里氏硬度計(jì)檢測齒輪齒頂硬度。
圖 1 20Cr2Ni4 鋼滲碳淬火的弧齒錐齒輪外觀形貌(a) 及開裂齒輪取樣位置(b)
圖 2 開裂的 20Cr2Ni4 鋼弧齒錐齒輪熱處理工藝曲線
二、檢測結(jié)果與分析
弧齒錐齒輪心部化學(xué)成分檢測
用里氏硬度計(jì)檢測開裂弧齒錐齒輪的齒頂硬度為 61 ～ 62 HRC，滿足 58 ～ 62 HRC 的圖紙技術(shù)要求，在開裂的弧齒錐齒輪大端取樣，切割下來的齒塊形貌如圖 3(a) 所示，左側(cè)為裂紋面，是錐齒輪的凸面，右側(cè)為非裂紋面，是錐齒輪的凹面，凸面即裂紋面上的裂紋形貌如圖 3(b) 所示，齒面裂紋呈圓弧狀，手摸裂紋處有翹起感。在齒塊心部靠近輪輻的未滲碳部分取樣，測試錐齒輪的化學(xué)成分，結(jié)果如表 1 所示。從表 1 看出，開裂的弧齒錐齒輪心部的碳和鎳含量偏高，超過了 GB / T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的上限。
圖 3 切割下來的齒塊(a) 及齒面圓弧狀裂紋形貌(b)
表 1 開裂的 20Cr2Ni4 鋼弧齒錐齒輪的化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
有效硬化層深度測定
按 GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，分別測定了齒形試樣未開裂齒面(凹面) 及開裂齒面(凸面) 節(jié)圓和齒根部分的有效硬化層深度。
圖4 為齒形試樣未開裂齒面(凹面) 節(jié)圓處和靠近齒根處的硬度分布曲線。從圖 4(a) 可以看出，未開裂齒面節(jié)圓處磨齒后有效硬化層深度為 2.386 mm，距離表面 0.1 mm 處的硬度為 668.6 HV( 58.1 HRC) ，節(jié)圓處磨齒后表面硬度和有效硬化層深度符合圖紙技術(shù)要求。
圖 4 齒形試樣未開裂齒面的硬度分布(a) 節(jié)圓處; (b) 齒根處
從圖 4( b) 看出，未開裂齒面靠近齒根處離表面 0.1 mm 處硬度為 518.6 HV，有明顯的硬度“低頭”現(xiàn)象，有效硬化層深度也較節(jié)圓處明顯偏小，只有 1.3 mm 左右，說明靠近齒根處的齒面在磨齒時(shí)產(chǎn)生了較多的磨削熱，使該處受熱回火軟化，硬度下降，出現(xiàn)明顯的硬度“低頭”現(xiàn)象，造成該處有效硬化層深度偏小。
如圖 3(b) 所示，齒形試樣開裂齒面(凸面) 上的圓弧狀裂紋，左端垂直向下，一直到齒根處，裂紋下端距離左側(cè)端面還有約 3 mm 距離，所以把圖 3(b) 中齒塊的左側(cè)端面稱作遠(yuǎn)離裂紋處;圓弧形裂紋向右向上延伸，右側(cè)端面與裂紋相交處稱作裂紋處，分別測試了裂紋面上遠(yuǎn)離裂紋處和裂紋處的有效硬化層深度，與未開裂齒面作對比。
齒形試樣凸面遠(yuǎn)離裂紋節(jié)圓處的硬度分布曲線如圖5(a) 所示，其磨齒后有效硬化層深度為2.318 mm，距表面 0.1 mm 處硬度為 665.6 HV( 58.0 HRC) ，符合圖紙技術(shù)要求。
圖 5 齒形試樣凸面不同位置的硬度分布
(a) 遠(yuǎn)離裂紋節(jié)圓處; (b) 近裂紋的齒根處; (c) 裂紋處
齒形試樣凸面近裂紋齒根處的硬度分布曲線見圖 5(b) ，離表面 0.1 mm 處的硬度只有 477.9 HV，有明顯的硬度“低頭”現(xiàn)象，有效硬化層深度 2.5 mm 左右，說明開裂齒面近裂紋端靠近齒根處齒面在磨齒時(shí)產(chǎn)生了較多的磨削熱，使該處受熱回火，硬度下降，出現(xiàn)明顯的硬度“低頭”現(xiàn)象，但該處有效硬化層深度尚正常。
從圖 5(c) 可以看出，齒形試樣凸面裂紋處距表面0.1 mm，硬度異常升高到 820 HV0.1 ( 63.8 HRC) ，有明顯的硬度“抬頭”現(xiàn)象，然后硬度快速下降到最低點(diǎn) 486 HV，隨即又開始緩慢回升，在距表面約 0.2 mm 范圍內(nèi)硬度出現(xiàn)陡升陡降，裂紋處的有效硬化層梯度表現(xiàn)出明顯的磨削燒傷特征。
齒形試樣凸面的顯微組織檢查
從圖 6 可以看出，齒形試樣凸面近裂紋的齒根處有較明顯的白加黑磨削燒傷區(qū)，在 500 倍下放大觀察，如圖 6(b) 所示，白區(qū)內(nèi)有未溶的深色組織，與典型的磨削燒傷區(qū)特征稍有不同，表明該白色燒傷區(qū)在磨齒時(shí)產(chǎn)生了磨削熱，使表面溫度超過材料的相變點(diǎn) Ac1，但未到完全奧氏體化的相變點(diǎn) Accm，即在 Ac1 與 Accm之間的兩相區(qū)重新淬火，形成了這種不完全淬火組織。
圖 6 齒形試樣凸面近裂紋的齒根處磨削燒傷區(qū)形貌
齒形試樣凸面裂紋處的顯微組織如圖 7 所示，呈現(xiàn)出明顯的月牙形白加黑磨削燒傷形貌，其中白色區(qū)是因?yàn)槟ハ鞴に嚥划?dāng)，產(chǎn)生很高的磨削熱，使?jié)B碳表面重新淬火成淬火馬氏體加殘留奧氏體，該組織硬度很高，耐腐蝕，表面最高硬度達(dá) 820 HV0.1，白區(qū)最大深度約 0.3 mm；從白區(qū)向內(nèi)，緊鄰白區(qū)的是因磨削熱導(dǎo)致的黑色過回火區(qū)，該區(qū)受磨削熱回火軟化，最低硬度約 486 HV，硬度陡降，黑區(qū)寬度約 0.6 mm。從黑區(qū)再向心部，滲碳層顯微硬度較未開裂齒面節(jié)圓處的未燒傷區(qū)均有不同程度的下降。
圖 7 齒形試樣凸面裂紋處的磨削燒傷形貌
在無磨削燒傷的齒形試樣凸面遠(yuǎn)離裂紋節(jié)圓處觀察其顯微組織，見圖 8，可以看出，滲碳層表面組織良好，按 JB /T 6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》評定，滲碳層表面馬氏體和殘留奧氏體為 1 ～ 2 級，碳化物為 1 ～ 2 級;心部組織為 1 ～ 2 級。合格。
圖 8 齒形試樣凸面遠(yuǎn)離裂紋節(jié)圓處正常的滲碳淬火組織
檢測結(jié)果分析
綜合以上對齒形試樣未開裂齒面(凹面) 、開裂齒面(凸面) 遠(yuǎn)離裂紋節(jié)圓處、凸面靠近裂紋的齒根處和裂紋處等幾個(gè)位置有效硬化層深度和顯微組織的檢測結(jié)果，可以看出，齒形試樣各位置的表面硬度，有效硬化層深度和顯微組織呈現(xiàn)不同的特征，其中未開裂齒面(凹面) 節(jié)圓處和開裂齒面(凸面) 遠(yuǎn)離裂紋節(jié)圓處的表面硬度、有效硬化層深度和顯微組織均符合圖紙技術(shù)，無磨削燒傷特征;但在未開裂齒面( 凹面) 的齒根處、開裂齒面(凸面) 靠近裂紋的齒根處和裂紋處均表現(xiàn)出不同程度的磨削燒傷特征，尤其在開裂齒面靠 近裂紋的齒根和裂紋處都能觀察到明顯的月牙形白加黑磨削燒傷區(qū)，裂紋處最深白區(qū)深度約 0.3 mm，黑區(qū)深度約 0.6 mm，白區(qū)因磨削熱導(dǎo)致重新淬火，最大硬度約 820 HV0.1，黑區(qū)因磨削熱導(dǎo)致過回火軟化，最低硬度僅 486 HV，所以該弧齒錐齒輪滲碳淬火磨削后在齒根位置和裂紋處有磨削燒傷，齒面裂紋是磨削燒傷導(dǎo)致的二次淬火造成的，齒面的圓弧狀裂紋觸感上有翹起感，裂紋處不是平面，也說明該圓弧狀裂紋是在磨削后產(chǎn)生的。
文獻(xiàn)指出，滲碳淬火后的齒輪齒面硬度和強(qiáng)度較高，在后續(xù)的磨削過程中，磨粒起著切削、刻劃和滑擦作用，磨削熱的產(chǎn)生和釋放是影響磨削燒傷程度的最主要原因，砂輪和磨削參數(shù)對于磨削熱的產(chǎn)生起到了極為關(guān)鍵的作用，切削液及滲層碳濃度對于磨削熱的釋放有著決定作用，所以，在磨削過程中一旦磨削熱導(dǎo)致的齒輪表面溫度超過 350 ℃ 而低于 Ac1 點(diǎn)，滲碳表面的馬氏體會(huì)被回火軟化，轉(zhuǎn)變成回火屈氏體或回火索氏體，一般稱之為回火燒傷，如果表面溫度超過 Ac1 甚至在 Accm以上，此時(shí)在磨削液的冷卻作用下，在滲碳表面會(huì)直接形成二次淬火馬氏體，一般把這種燒傷叫做淬火燒傷，在光學(xué)顯微鏡下觀察，其典型特征是燒傷處能觀察到明顯的月牙形白加黑組織形貌，白區(qū)對應(yīng)的二次淬火區(qū)，硬度很高，黑區(qū)對應(yīng)的回火軟化區(qū)，硬度下降明顯。文獻(xiàn)也指出，磨削齒輪時(shí)砂輪選擇不當(dāng)，進(jìn)刀量大，使摩擦應(yīng)力陡增，摩擦應(yīng)力與熱應(yīng)力，組織應(yīng)力共同作用，會(huì)將材料表面拉裂。
磨削燒傷會(huì)削弱齒輪表面的壓應(yīng)力，甚至引起拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在過渡層中的變化很容易產(chǎn)生微裂紋，在后續(xù)循環(huán)載荷作用下，齒輪的疲勞強(qiáng)度和使用壽命會(huì)受到較大的影響，齒面過早地磨損和點(diǎn)蝕，造成齒輪早期失效。
三、防止磨削燒傷的措施
磨削燒傷產(chǎn)生的根本原因是磨削熱，所以降低磨削熱是關(guān)鍵，首先，應(yīng)選擇合適的砂輪，目前 CBN 砂 輪和 TG 砂輪由于熱穩(wěn)定性和硬度、強(qiáng)度比較好，磨削溫度低，所以得到了較為廣泛的推廣應(yīng)用;其次，選擇合適的磨削深度，保證粗磨進(jìn)刀量不大于0.03 ～0.05 mm， 精磨不大于 0.01 ～ 0.02 mm，合理分配磨齒余量;第三，要注意磨齒過程的冷卻控制，冷卻要完全充分，及時(shí)帶走磨削熱。此外滲碳淬火后的噴丸強(qiáng)化，利用大量高速運(yùn)動(dòng)的丸粒沖擊工件表面，使工件表面受到擠壓，發(fā)生冷塑性變形，形成表面壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力會(huì)抵消表面的一部分拉應(yīng)力，降低后續(xù)磨齒裂紋的產(chǎn)生幾率。
四、結(jié)論
1) 開裂弧齒錐齒輪齒頂硬度為 61 ～ 62 HRC，可滿足 58 ～ 62 HRC 的技術(shù)要求。
2) 在齒形試樣未開裂齒面( 凹面) 的節(jié)圓和開裂齒面( 凸面) 遠(yuǎn)離裂紋的節(jié)圓位置，表面硬度和顯微組織均符合圖紙技術(shù)要求，無磨削燒傷特征;但在未開裂齒面的齒根和開裂齒面靠近裂紋的齒根位置，分別有明顯的硬度“低頭”現(xiàn)象和超過 Ac1 點(diǎn)以上的不完全二次淬火現(xiàn)象，符合磨削回火和磨削燒傷特征。
3) 齒形試樣凸面的裂紋處因磨削熱導(dǎo)致表面溫度超過 Accm 點(diǎn)重新二次淬火，表面白區(qū)硬度異常升高，最高硬度約 820 HV0.1，緊鄰白區(qū)向內(nèi)為受磨削熱而發(fā)生過回火軟化的黑區(qū)，最低硬度約 486 HV，月牙形的白加黑燒傷區(qū)深度約 0.9 mm，呈現(xiàn)典型的磨削燒傷特征;雖然該弧齒錐齒輪心部未滲碳部位碳和鎳含量高出 GB /T 3077—2015 的上限要求，但這不是引起齒面弧形裂紋的主要原因，齒面裂紋主要是磨削燒傷造成的。
4) 齒輪滲碳淬火后的磨削工藝，應(yīng)盡量避免磨削燒傷，可以通過選用合適的砂輪，控制粗磨和精磨的進(jìn)刀量，合理分配磨齒余量，加強(qiáng)冷卻控制等措施來減少磨削熱，此外強(qiáng)力噴丸也可以增加齒輪表面的殘余壓應(yīng)力，抵消一部分拉應(yīng)力的影響。
參考文獻(xiàn)略