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1、如何防止渗碳淬火齿轮磨削裂纹的产生1 引言矿山机械上使用的重载齿轮的制造关键在于如何提高其承载能力及表面耐磨性,而采用高精度、硬齿面、齿廓和齿形修形的齿轮是提高齿轮承载能力及表面耐磨性的有效措施。磨齿是有可能使上述措施同时实现的重要工艺手段。在磨齿轮工艺中长期存在一个严重问题-裂纹,磨削裂纹是指发生在磨削面上,深度较浅,并且深度基本一致,方向垂直于齿向,即垂直于砂轮往复运动的方向,规则排列的条状裂纹,用肉眼便可观察到。对渗碳淬火钢齿轮磨削裂纹的产生原因及防治措施进行研究十分必要。2 裂纹产生的原因及防止其产生的有效措施2.1 裂纹产生的原因(1)齿轮热处理的质量是造成磨裂的内在因素
2、磨削裂纹产生的根本原因是磨削热。齿轮在渗碳过程中,其渗层组织中容易形成网状碳化物或过多的游离碳化物。由于各物质硬度都极高,在磨削过程中,砂轮和齿面接触的瞬间,磨削区的温度很高,可能出现局部过热倾向和发生表面回火,使金相组织发生变化。根据俄罗斯学者试验,当砂轮速度v=18mPs,磨削深度t=0.05mm时,磨削区的温度达900～1100℃,所以渗碳淬硬的齿面在磨削时,表面一薄层内的回火马氏体组织变成了较高温度(300℃以上)回火组织。马氏体析出碳化物,残留奥氏体进一步分解为回火马氏体或回火屈氏体,在随后的冷却过程中不再发生组织变化。此时比容减少,硬度下降,并在表面形成了拉应力。在回火
3、层中,由于磨削温度较高(800℃以上),已经回火,马氏体组织被加热到临界温度以上,在随后的冷却过程中产生了淬火组织,此时比容增大,产生了压应力。在回火层以下,受磨削热的影响较少(200～300℃),所以只发生残留奥氏体的转变,产生未回火的马氏体,这一转变比容增大。磨削时,钢中残留奥氏体在200～300℃温度下,组织转变为二次淬火组织,体积膨胀,形成较大的内应力。总之在磨削时,工件内部产生的热应力和相变压力,再加上砂轮磨削工件时所造成的撕裂应力,这三者合成的最大应力和齿长的方向一致,由于这个力的作用,在齿轮上形成了与这个合应力相反的内应力,如果渗碳层的强度和金属的组织应力能抵抗磨削时
4、产生的合应力,则不会产生裂纹,反之,齿轮材料在磨削过程中将遭到破坏,而产生垂直于合应力方向的裂纹,出现了磨裂。(2)磨削加工产生的热应力是造成磨裂的外在因素磨削加工过程中,砂轮与工件间将产生热应力与机械应力,齿轮磨削也不例外。产生应力的大小,即是构成了磨裂与否的外界条件,这些都取决于磨削条件,如砂轮硬度、粒度、磨料种类、磨削速度、冷却液、吃刀深度、走刀量、砂轮每分钟往复次数及砂轮的修整等。这些条件的综合作用,产生一定的应力,就构成了磨裂的外因。2.2 防止产生磨削裂纹的工艺措施2.2.1 从组织结构的角度分析(1)控制齿轮表面碳浓度所生产的齿轮是在井式炉中渗碳,碳粉控制不是太好,齿
5、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,应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)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
6、此,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。(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,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,当这种拉应力达到一定极限值,便会形成裂纹。基于这一分析,采取适当地提高回火温度、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。2.2.2 从磨削工艺的角度分析我厂在解决20CrMnTi渗碳钢件齿轮磨削裂纹
7、问题中,采用了喷丸强化工艺,喷丸强化工艺是表面加工工艺的一种,是利用大量高速运动的珠丸冲击工件表面,对工件表面进行冷挤压,使之发生冷态塑性变形,产生冷硬层并形成表面残余压应力。由于表面具有残余压应力,将抵消一部分拉应力,从而有效地避免了裂纹的产生。磨削条件也是影响裂纹产生的一个重要因素,从上述分析可知:磨削热导致磨削裂纹的产生,所以解决磨削裂纹的关键在于如何降低磨削热。(1)应选用湿磨法,采用冷却的方法使磨削区温度降低,并且应确保冷却液喷到磨削区,经过多次试验,调节流
