摘 要:采用化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)及硬度測試等方法對(duì)某內(nèi)環(huán)凸輪磨削開裂的原因進(jìn)行了 分析.結(jié)果表明:內(nèi)環(huán)凸輪淬火溫度偏高且回火不足,導(dǎo)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(nèi)環(huán)凸輪磨削開裂的敏感性和殘余內(nèi)應(yīng)力;同時(shí)磨削時(shí)進(jìn)給量大,冷卻不充 分,使內(nèi)環(huán)凸輪表面產(chǎn)生了磨削燒傷變質(zhì)層及較大的磨削應(yīng)力;磨削應(yīng)力、殘余應(yīng)力以及高速磨削 時(shí)的滾壓應(yīng)力共同作用導(dǎo)致了內(nèi)環(huán)凸輪的磨削開裂.

關(guān)鍵詞:內(nèi)環(huán)凸輪;磨削開裂;殘余應(yīng)力;磨削應(yīng)力

中圖分類號(hào):TH１３２．４７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４６６Ｇ０３

某批內(nèi)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(luò)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(nèi)環(huán)凸輪的設(shè)計(jì)要求如下:材料為 GCr１５鋼,淬 回火馬氏體級(jí)別為１~４級(jí),硬度為５８~６４HRC;加 工流程為下料→鍛造→球化退火→機(jī)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(duì)內(nèi)環(huán)凸輪的開裂 原因進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 化學(xué)成分分析

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

１．２ 金相檢驗(yàn)

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

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

內(nèi)環(huán)凸輪表面存在明顯的回火燒傷(黑色),燒 傷變質(zhì)層深度約為０．２０mm,裂紋兩側(cè)無氧化脫碳, 裂紋穿透變質(zhì)層向基體內(nèi)部擴(kuò)展,說明工件的內(nèi)應(yīng) 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(dòng)軸承零件熱 處理技術(shù)條件»評(píng)定,基體顯微組織中的馬氏體級(jí)別 遠(yuǎn)大于４級(jí),說明實(shí)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(jì)進(jìn)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(jìn)一步說明內(nèi)環(huán)凸輪在磨 削時(shí)表面產(chǎn)生了回火燒傷.

２ 綜合分析

磨削時(shí)砂輪的切刃與內(nèi)環(huán)凸輪表面接觸進(jìn)行摩 擦切削,磨削所消耗的能量約８０％變成熱量,可使 內(nèi)環(huán)凸輪表面溫度驟然升高,并向工件內(nèi)部傳導(dǎo). 內(nèi)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(nèi)層金屬的阻礙而引起拉應(yīng) 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(nèi)層金屬的阻礙,也在淺表層內(nèi)產(chǎn)生了 拉應(yīng)力,這兩部分拉應(yīng)力即構(gòu)成了磨削應(yīng)力[２].磨 削應(yīng)力僅存在于回火燒傷層內(nèi),該內(nèi)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(dá)到１．２５mm,即磨削裂紋穿透了回火燒傷層深入基 體內(nèi)部.根據(jù)格林菲斯理論,物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng) 變能的降低(或釋放)就是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力,所以工 件的殘余內(nèi)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)磨削層的磨削裂紋穿透變質(zhì)層 繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展.這說明內(nèi)環(huán)凸輪的殘余內(nèi)應(yīng)力較 大,熱處理回火不充分,使得馬氏體脆性大,淬火應(yīng) 力釋放不 完 全,增 大 了 內(nèi) 環(huán) 凸 輪 產(chǎn) 生 磨 削 裂 紋 的 傾向.

內(nèi)環(huán)凸輪淬火時(shí)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(huì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng) 力增加,導(dǎo)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(nèi)環(huán)凸輪的網(wǎng)狀裂紋分布于表面,深度較淺且 沿晶擴(kuò)展,與磨削變質(zhì)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(nèi)在隱 患;磨削時(shí)進(jìn)給量大,冷卻不充分,致使內(nèi)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(zhì)層,由磨削熱引發(fā)的磨削應(yīng)力導(dǎo)致了磨削裂紋 的產(chǎn)生.磨削裂紋是磨削時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了金 屬材料的斷裂強(qiáng)度而引起的表層開裂[４],內(nèi)環(huán)凸輪 產(chǎn)生磨削開裂是由磨削應(yīng)力、高速磨削時(shí)的機(jī)械(滾壓)應(yīng)力及殘余內(nèi)應(yīng)力共同作用的結(jié)果.

３ 結(jié)論

內(nèi)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(shí)進(jìn)給量大,冷卻不充分,所產(chǎn)生的磨削應(yīng) 力與高速磨削時(shí)的機(jī)械(滾壓)應(yīng)力及原有的殘余應(yīng) 力相疊加,當(dāng)總應(yīng)力超過工件本身的斷裂強(qiáng)度時(shí),內(nèi) 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(bào)廢.

(２)嚴(yán)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(nèi)部的 殘余應(yīng)力.

(３)采用合適的磨削工藝,使內(nèi)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(xiàn):

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文章來源——材料與測試網(wǎng)