摘 要:采用化學成分分析、金相檢驗及硬度測試等方法對某內環(huán)凸輪磨削開裂的原因進行了 分析.結果表明:內環(huán)凸輪淬火溫度偏高且回火不足,導致其顯微組織為粗大的針狀馬氏體及較多 的殘余奧氏體,增大了內環(huán)凸輪磨削開裂的敏感性和殘余內應力;同時磨削時進給量大,冷卻不充 分,使內環(huán)凸輪表面產(chǎn)生了磨削燒傷變質層及較大的磨削應力;磨削應力、殘余應力以及高速磨削 時的滾壓應力共同作用導致了內環(huán)凸輪的磨削開裂. 

關鍵詞:內環(huán)凸輪;磨削開裂;殘余應力;磨削應力 

中圖分類號:TH１３２．４７ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４６６Ｇ０３

某批內環(huán)凸輪在磨削加工后發(fā)現(xiàn)表面有淺褐色 的回火燒傷及網(wǎng)絡狀裂紋,如圖１所示,經(jīng)磁粉探傷 后噴涂顯像劑顯示的網(wǎng)狀裂紋更為清晰,如圖２所 示.內環(huán)凸輪的設計要求如下:材料為 GCr１５鋼,淬 回火馬氏體級別為１~４級,硬度為５８~６４HRC;加 工流程為下料→鍛造→球化退火→機加工→熱處 理→磨削;熱處理工藝為(８５０±１０)℃×１２０min井 式爐加熱,油淬,(１８０±１０)℃×１２０ min和(２００± １０)℃×１２０min兩次回火.筆者對內環(huán)凸輪的開裂 原因進行了分析,并提出了相應的改進措施.

１ 理化檢驗 

１．１ 化學成分分析 

沿 裂 紋 區(qū) 域 取 樣,采 用 SPECTROLABM１０ 直 讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表１,可見各元素含量均符合 GB/T１８２５４－２０１６«高碳鉻軸承 鋼»對 GCr１５鋼成分的技術要求.

１．２ 金相檢驗 

沿裂紋區(qū)域取樣磨拋成金相試樣,化學侵蝕法 顯示其組織,采用蔡司 Axiovert２５CA 光學顯微鏡 進行觀察.

裂紋分布于內環(huán)凸輪的淺表層,與表面垂直,由 表面向基體內部擴展;裂紋開口處較寬,尾部細窄而 剛健,呈沿晶擴展形貌,深度約為１．２５mm,如圖３ 所示. 

內環(huán)凸輪表面存在明顯的回火燒傷(黑色),燒 傷變質層深度約為０．２０mm,裂紋兩側無氧化脫碳, 裂紋穿透變質層向基體內部擴展,說明工件的內應 力較大[１],熱處理回火不充分,如圖４所示.

回火燒傷層顯微組織為回火屈氏體＋少量殘余 奧氏體＋少量殘留碳化物,見圖４.基體顯微組織為粗大的針狀馬氏體＋較多的殘余奧氏體＋少量殘 留碳化物,局部區(qū)域的碳化 物 已 溶 解,見 圖 ５.按 JB/T１２５５－２０１４«高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱 處理技術條件»評定,基體顯微組織中的馬氏體級別 遠大于４級,說明實際加熱溫度超過了 GCr１５鋼的 淬火上限溫度８６０ ℃,爐溫已失控. 

１．３ 硬度測試 

使用 HRＧ１５０A 洛氏硬度計進行硬度測試,基 體硬度為６４．０HRC,齒表面硬度為６０．０HRC.齒 表面硬度低于基體硬度,進一步說明內環(huán)凸輪在磨 削時表面產(chǎn)生了回火燒傷.

２ 綜合分析 

磨削時砂輪的切刃與內環(huán)凸輪表面接觸進行摩 擦切削,磨削所消耗的能量約８０％變成熱量,可使 內環(huán)凸輪表面溫度驟然升高,并向工件內部傳導. 內環(huán)凸輪表面被回火后硬度下降,淺表層金屬因比 容減小,體積收縮,受到內層金屬的阻礙而引起拉應 力;另外,被磨削熱加熱而使體積膨脹了的淺表層金 屬,在隨后的冷卻(冷卻液作用下)期間,由于體積迅 速收縮受到內層金屬的阻礙,也在淺表層內產(chǎn)生了 拉應力,這兩部分拉應力即構成了磨削應力[２].磨 削應力僅存在于回火燒傷層內,該內環(huán)凸輪的回火 燒傷層深度僅為０．２０mm,而磨削裂紋的深度已達到１．２５mm,即磨削裂紋穿透了回火燒傷層深入基 體內部.根據(jù)格林菲斯理論,物體內儲存的彈性應 變能的降低(或釋放)就是裂紋擴展的動力,所以工 件的殘余內應力驅動磨削層的磨削裂紋穿透變質層 繼續(xù)向內部擴展.這說明內環(huán)凸輪的殘余內應力較 大,熱處理回火不充分,使得馬氏體脆性大,淬火應 力釋放不 完 全,增 大 了 內 環(huán) 凸 輪 產(chǎn) 生 磨 削 裂 紋 的 傾向.

內環(huán)凸輪淬火時形成粗針狀馬氏體及較多的殘 余奧氏體,粗針狀馬氏體脆性大,殘余奧氏體是一種 亞穩(wěn)定組織,在低溫和外力的作用下會轉變成馬氏 體[３]:一方面,在低溫回火冷卻過程中,部分殘余奧 氏體向馬氏體轉變,形成二次淬火馬氏體,使材料脆 性增大;另一方面,殘余奧氏體在磨削熱的作用下, 被誘發(fā)轉變成脆性的淬火馬氏體,這種新生的馬氏 體集中于工件表面,引起工件局部體積膨脹,表面應 力增加,導致磨削層產(chǎn)生磨削裂紋.新生的淬火馬 氏體脆性大,將加速磨削裂紋的產(chǎn)生. 

內環(huán)凸輪的網(wǎng)狀裂紋分布于表面,深度較淺且 沿晶擴展,與磨削變質層并存,符合磨削裂紋的基本 特征.其自身存在的粗針狀馬氏體、較多的殘余奧 氏體及回火不足等缺陷,是形成磨削裂紋的內在隱 患;磨削時進給量大,冷卻不充分,致使內環(huán)凸輪表 面的受熱溫度超過其回火溫度,產(chǎn)生了過回火燒傷 變質層,由磨削熱引發(fā)的磨削應力導致了磨削裂紋 的產(chǎn)生.磨削裂紋是磨削時產(chǎn)生的拉應力超過了金 屬材料的斷裂強度而引起的表層開裂[４],內環(huán)凸輪 產(chǎn)生磨削開裂是由磨削應力、高速磨削時的機械(滾壓)應力及殘余內應力共同作用的結果.

３ 結論 

內環(huán)凸輪自身存在組織隱患,脆性的粗針狀馬 氏體及較多的殘余奧氏體增加了其磨削開裂的敏感 性;磨削時進給量大,冷卻不充分,所產(chǎn)生的磨削應 力與高速磨削時的機械(滾壓)應力及原有的殘余應 力相疊加,當總應力超過工件本身的斷裂強度時,內 環(huán)凸輪便發(fā)生了磨削開裂.

４ 建議 

(１)定期檢查熱電偶,以免爐溫失控造成熱處 理工件批量報廢. 

(２)嚴格控制淬火溫度,減少殘余奧氏體含量; 回火周期延長至２４０ min,以充分消除工件內部的 殘余應力. 

(３)采用合適的磨削工藝,使內環(huán)凸輪表面受 熱溫度不超過其回火溫度,避免磨削裂紋的產(chǎn)生.

參考文獻: 

[１] 朱曉紅,方政,徐育平．Cr１２MoV 鋼刀具表面開裂原 因分析[J]．金屬熱處理,２００８,３３(１２):１００Ｇ１０２． 

[２] 孫盛玉,戴雅康．熱處理裂紋分析圖譜[M]．大連:大 連出版社,２００２． 

[３] 郭春秋,王榮,李光福．GCr１５鋼磨削開裂的特征及影 響因素[J]．機械工程材料,２０１４,３８(９):９０Ｇ９４．

[４] 叢建臣,孫軍,倪培相．鍛鋼曲軸曲柄臂過渡面裂紋 的產(chǎn)生原因分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１５,５１ (９):６６１Ｇ６６４．

文章來源——材料與測試網(wǎng)