渗碳齿轮磨削裂纹的产生机理和预防措施

rockston

当前对齿轮的承载能力、精度和可靠性的高要求,导致对齿轮材料及其品质、齿轮加工精度和加工质量的要求越来越严格。但是通常要进行磨削的重载渗碳齿轮在磨削加工中有时会出现齿面磨削裂纹,这样就严重影响了齿轮的使用寿命,因此如何预防齿面磨削裂纹的产生一直是一个急需解决的制造技术问题。

1　裂纹形态及磨裂齿面分析

1.1　裂纹形态

经过对大量磨裂齿面进行磁粉探伤检查,发现裂纹呈线状分布,其分布归结为以下三种形式,如图1所示。

图1中,图1(a)裂纹自齿顶沿齿高呈短线型或长短线交替型分布,长度在1～6mm之间;图1(b)裂纹在节圆上部沿齿高呈短线型分布;图1(c)裂纹自齿顶至节圆上部呈碎密的网状分布。

1.2　磨裂齿面分析

(1)金相分析

通过对磨裂轮齿沿齿宽方向垂直裂纹处剖开的截面金相组织观察发现,其磨削裂纹都是沿晶界发生并发展的,裂纹深度为0125～0150mm,整个渗碳层区域的组织为粗大的针状马氏体和大量的残余奥氏体。

(2)残余应力分析

经对磨裂轮齿出现裂纹的齿面和未出现裂纹的齿面进行残余应力测定结果可知,沿齿宽方向上的残余应力均为拉应力,沿齿高方向上的残余应力均为压应力,并且无磨削裂纹齿面沿齿宽方向的残余应力比有磨削裂纹齿面上的小。

2　齿面磨削裂纹产生的原因分析

齿面磨削裂纹的产生应与磨削时齿面是否处于拉应力状态及渗碳热处理后的渗碳层组织和由磨削热引起的组织变化有关,因材料的组织直接影响着其机械性能。以下从热处理质量和磨削加工两个方面分析其产生原因。

2.1　热处理质量的影响

通常,由于热处理不当而对磨削质量产生不利影响的因素有以下三个方面:

(1)碳化物的大小、数量、分布及形态。如果渗碳层碳化物的颗粒大、数量多、分布不均匀,特别是形成网状或角状,将会导致材质的脆性增加。

(2)残余奥氏体量过多。若渗碳后淬火温度过高,就会使奥氏体晶粒粗大和奥氏体内含碳量过高,这样就会导致形成粗大的片状马氏体和过多的残余奥氏体。粗大片状马氏体在形成过程中将会导致晶界产生微裂纹,残余奥氏体也会在磨削加工中磨削热和磨削力产生的冷硬化的共同作用下发生分解,引起相变,形成较大的组织应力。

(3)低温回火组织。渗碳淬火后回火温度和回火时间将影响马氏体的分解和显微裂纹的焊合,如果回火温度和回火时间不足就会在以后的磨削加工中在磨削热的作用下使表层马氏体继续分解,使表层体积收缩而产生表面拉应力,当总的拉应力一旦超过材料的抗拉强度,就会产生磨削裂纹。

2.2　磨削加工的影响

在磨削加工中,被加工表面层所受的磨削力,将使其表面产生冷塑性变形。而磨削加工所产生的磨削热,则会对冷塑性变形起着软化的作用,但同时也会使工件表面产生热塑性变形和金相组织变化。通常,热塑性变形占主导地位使得表面产生拉应力,组织应力则根据磨削区的温度和冷却速度将呈现拉应力或压应力状态。

我们曾用齿型试块随工件一起渗碳和其后的热处理,在该工序后对这些试块沿齿高和齿宽方向分别进行了由表及里的渗碳层残余应力测定,结果表明:表层至约0115mm处沿齿宽方向为残余拉应力,沿齿高方向为残余压应力;自012mm处再向内部深入,其不论是齿宽和齿高方向均为压应力。在对这些齿块磨削后进行表面残余应力测定则均为拉应力。

3　预防措施

综上所述,磨削裂纹的产生一方面与磨削加工中由磨削力所引起的表层冷塑性变形以及由磨削热所引起的表层热塑

性变形和金相组织变化有关,另一方面与材料本身的热处理质量有关。当磨削过程中产生了表面拉应力并且超过工件材料表面的抗拉强度时,就会出现磨削裂纹。因此,也应从这两个方面采取预防措施。

3.1　热处理方面

应制定适当的热处理工艺并严格执行。

(1)渗碳层碳浓度适当,要防止渗碳层形成网状碳化物。

(2)渗碳后采用重新加热淬火。淬火温度应适当,以防止渗层马氏体组织粗大和残余奥氏体量过多,获得隐晶马氏体或细针马氏体,以提高渗层断裂强度。

(3)回火应充分、均匀,使淬火马氏体得到充分转变,显微裂纹焊合或减少,在保证技术要求的前提下,尽量使硬度降低,消除淬火后的显微拉应力。

如把出现磨削裂纹的齿轮重新回火,充分保温后,再进行磨削,磨削裂纹即可消除。

(4)渗碳热处理后最好进行喷丸处理,因渗碳层表面通常会有脱碳层,经以上所述我们对残余应力测定,其表层的残余应力均为拉应力,我们认为这是由脱碳层所致,而喷丸后表面可形成残余压应力,这有利于中和磨削过程中表面产生的拉应力。

3.2　磨削方面

在磨削过程中磨削热通常会引起残余拉应力,因此预防磨削裂纹产生的根本措施就是减少磨削热,降低磨削温度。

(1)合理选择磨料种类、粒度及砂轮硬度。磨料种类的选择,应根据被磨削的材质而定;在保证齿面粗糙度的前提下,磨料粒度应尽量选择大一些;砂轮的硬度要选择小一些,因为渗碳层硬度较高,这样可以使磨钝了的磨粒及时脱落,以保持砂轮经常有锐利的磨粒在工作,避免产生过多的磨削热。并且磨料粒度越细,砂轮硬度也要小些,以防止砂轮堵塞。

试验证明,立方氮化硼(CBN)砂轮切削能力强,热导率和热稳定性高并且经这种砂轮磨削所得的表面层存在残余压应力,因此选用立方氮化硼砂轮,将会提高被磨削表面的质量和零件的使用寿命。

(2)合理选用磨削液。采用乳化液冷却时,冷却较为强烈,使磨削区的热胀冷缩现象加剧,产生较大的内应力,如选用适当牌号的机油冷却则比前者柔和,产生的内应力较小。

(3)合理选用磨削用量。磨削深度进给量、工作台展成速度、砂轮转速及砂轮冲程次数的选择会直接影响砂轮磨削区的温度。磨削深度进给量与磨削区的温度大致成正比,并且也是这几个磨削用量中对磨削区温度影响最大的因素,因此,在能够保证加工效率的情况下,应尽量使该进给量小一些。从降低磨削热的角度来看,可选择较大的工作台展成速度和砂轮冲程次数,砂轮转速应根据模数而定,通常不宜选得

过大。

(4)减少磨削余量。因磨削余量过大,会产生过多的磨削热,从而导致磨削温度上升,增加裂纹出现的可能性。