渗碳淬火齿轮磨削裂纹的防止

rockston

一种建筑机械变速箱齿轮,主要参数为:模数m=6、齿数z=33、外圆直径da=226.5mm、齿宽b=50mm;材料20CrMnTi,渗碳层深度要求1.2mm～1.5mm、表面硬度58HRC～62HRC;磨削精度(GB10095-88)6级。

我们采用井式气体渗碳炉渗碳。原热处理工艺为:930℃×5h渗碳,850℃×20min油淬,170℃×2h回火。经过这种渗碳淬火的齿轮在磨齿过程中常常发生磨削裂纹,其形状有两种,较多的如图1a所示,裂纹垂直于磨削方向平行分布,还有一些裂纹如图1b所示,呈龟裂状。裂纹深度大约在0.1mm～0.2mm之间。为了解决上述问题,提高齿轮加工质量,我们对防止渗碳淬火出现磨削裂纹开展了分析研究,制订了改进措施。

1　产生磨削裂纹的原因分析

金属表面产生裂纹,一定是表面产生了过大的拉应力,超过了材料强度极限所致。渗碳淬火齿轮磨削时,齿面局部温度瞬时升高,引起淬火马氏体的体积收缩,但周围母体金属处于刚性状态不能跟随收缩,故在交界处产生拉应力,当这种拉应力足够大时,便形成开裂,这便是磨削裂纹产生的原因。如果金属中还存在一些薄弱环节,如非金属夹杂、粗大或网状的碳化物、粗针马氏体等,便会更进一步增加磨削裂纹产生的倾向。

2　防止磨削裂纹产生的措施

2.1　控制齿轮表面碳浓度

我们生产的齿轮是在井式炉中渗碳,碳粉控制不是太好,齿轮表面含碳量往往偏高,有时会达到1.2%～1.3%。含碳量高,相应组织中便形成网状或尖角状碳化物,并有较多的残余奥氏体。过多而且分布不良的碳化物在磨削过程中往往会脆裂而形成裂纹;大量的残余奥氏体在磨削过程中,由于受挤压力的作用,会发生马氏体转变而引起局部体积膨胀,同时又在磨削热的作用下引起收缩,最后形成拉应力导致裂纹产生。

基于以上分析,我们采取措施严格控制渗碳过程中的碳粉,使表面含碳量降到0.8%～1.0%范围,相应使碳化物和残余奥氏体都控制在3级以下,有效地改善了组织状态。

2.2　控制奥氏体晶粒度

渗碳和淬火温度高会使奥氏体晶粒粗大,淬火后形成粗针马氏体。粗大的针状马氏体脆性高,磨削时容易产生脆裂,为此,我们调整了原来的热处理工艺:渗碳温度由原930℃降到900℃,淬火温度由原850℃降为820℃,经改进后得到的马氏体就比较细小。

2.3　调整回火工艺,减小淬火应力

奥氏体淬火形成的马氏体是膨胀状态,工件磨削过程中产生的热量会引起马氏体回火收缩,如图2所示。当温度上升100℃时,产生第一次收缩ΔL1,温度如果上升到300℃时,将产生第二次收缩ΔL2,而这种收缩由于受到母体刚性金属的制约,便会在表面局部产生拉应力,当这种抗应力达到一定极限值,便会形成裂纹。基于这一分析,我们采取适当提高回火温度、延长保温时间的办法,将原来的170℃×2h回火改为200℃×4h的回火工艺。根据情况,特别是在冬天,有时还采取补充二次回火的措施。

2.4　改善磨削工艺

磨削裂纹产生的根本原因是局部产生磨削热所致,因此,在磨削工艺中应设法尽量减少这种热的产生,为此,我们采取了以下措施。

(1)砂轮的选用

磨削分为粗磨和细磨。

粗磨是选用粒度较粗、硬度较软的粗砂轮,这样,使砂粒在磨削中容易脱落,不致表面堵塞形成挤压磨削而产生大量的热。

精磨则选用粒度较细、硬度较高的细砂轮,最后达到表面光洁、尺寸合格的磨削目的。

(2)磨削工艺

磨削工艺的关键参数是砂轮的圆周速度和切削用量的配合。国外有试验指出,当砂轮的圆周速度为1000m/min时,切削用量不大于0.05mm,我们根据这种推荐,并参考了国内其他单位的经验,制定磨削规范为,粗磨0.07mm,精磨0.02mm,经过一段时间实验,对防止过高热量的产生了较好的效果。

3　结论

1)磨削裂纹产生的根本原因是金属表面在磨削过程中产生高热使马氏体体积收缩而形成拉应力所致,不良的组织状态会进一步增加磨裂的敏感性。

2)严格控制碳势,降低过高的表面含碳量,避免形成不良的碳化物形态和分布;适当降低渗碳温度和淬火温度,增长回火保温时间,使马氏体组织细小,残余奥氏体含量不高,淬火应力减小。通过以上热处理工艺改进,可以大大减小磨削裂纹产生的倾向。

3)改善磨削工艺。合理选用粗细砂轮粒度和硬度以及磨削参数,可以有效防止局部高热的产生,从而防止磨削裂纹的形成。

通过以上冷热工艺的改进,基本上解决了磨削裂纹的问题。