風(fēng)電齒輪淬火完成后，磨削中出現(xiàn)了燒傷與裂紋
某型號風(fēng)電齒輪模數(shù)7.85，材質(zhì)18CrNiMo7-6，在滲碳淬火后磨齒工序發(fā)生燒傷與裂紋現(xiàn)象。磨齒采用成型磨工藝，機(jī)床為某國外品牌P1200G型磨床，磨具為國外某品牌TG型砂輪，冷卻液為不含氯和重金屬的國外某品牌G600HC型高性能純油性切削液。燒傷發(fā)生在整個(gè)齒輪的一部分齒面；裂紋發(fā)生在一部分燒傷嚴(yán)重的齒面，自燒傷的底部產(chǎn)生，其形態(tài)特征為，垂直于磨削前進(jìn)方向，向齒頂擴(kuò)展。調(diào)整冷卻噴嘴角度后，繼續(xù)磨削加工，加工量不超過0.05 mm，未產(chǎn)生新的燒傷/裂紋，原有的燒傷面積減少，燒傷深度與裂紋深度均有減小。該齒輪已申請報(bào)廢處理，檢測其燒傷/開裂的齒，通過理化檢驗(yàn)，討論分析發(fā)生失效的原因。
一、研究過程
使用線切割機(jī)在裂紋齒與正常齒上分別切取小試塊，使用SPECTROTEST型直讀光譜儀檢測其化學(xué)成分；使用INNOVATEST Nemesis 9000 型萬能硬度計(jì)和Zwick/Roell ZHμ型顯微硬度計(jì)，檢測試樣的表面/心部硬度與滲層深度；試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋處理、3%硝酸酒精腐蝕后，使用Zeiss Axio Imager A 2m型顯微鏡觀測金相組織，用金相法評定殘留奧氏體含量。
二、宏觀檢驗(yàn)
圖1顯示了磨削燒傷與裂紋的情況。
圖2 展示了裂紋齒的切樣試塊的形態(tài)特征，裂紋逐漸向齒頂方向擴(kuò)展；目視看不出燒傷或裂紋的跡象，如圖2a所示；但是經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕后，齒面既有裂紋，又有燒傷，如圖2b所示，黑色即為燒傷帶。
三、微觀檢驗(yàn)
1.化學(xué)成分
齒輪材料為滲碳鋼18CrNiMo7-6（DIN 10084），其合金成分滿足技術(shù)要求，結(jié)果見表1。
2.非金屬夾雜物
在裂紋源區(qū)附近分別沿橫向和縱向切取金相試樣，磨拋后觀察，僅可見數(shù)量很少的微小夾雜。根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，夾雜物評級結(jié)果見表2，可見符合技術(shù)要求。
表2 裂紋齒試樣的夾雜物評級結(jié)果
類別 | A粗系 | A細(xì)系 | B粗系 | B細(xì)系 | C粗系 | C細(xì)系 | D粗系 | D細(xì)系 |
測定值 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 1.0 |
要求值 | ≤3.0 | ≤3.0 | ≤1.5 | ≤2.5 | ≤1.5 | ≤2.5 | ≤1.5 | ≤2.0 |
3.硬度檢測
試樣的表面硬度、心部硬度（轉(zhuǎn)換為抗拉強(qiáng)度）與滲碳硬化層深度（CHD 550HV1），檢測結(jié)果見表3。心部硬度與CHD均滿足技術(shù)要求，而表面硬度則有所不同。正常齒的齒面硬度符合要求；而裂紋齒的齒面硬度因燒傷而降低，低于硬度下限值。
表3 齒面硬度及滲碳層深
試樣 | 表面硬度/HRC | CHD /mm | 心部硬度/MPa |
裂紋齒 | 左齒面：51.8 右齒面：51.3 齒頂部：61.6 | 左齒面：2.52 右齒面：2.42 齒頂部：3.10 | 1351 |
正常齒 | 左齒面： 61.0 右齒面：60.7 齒頂部： 61.5 | 左齒面： 2.41 右齒面：2.26 齒頂部：3.05 | 1366
|
要求值 | 58～62 | 2.00～3.50 | 1080～1500 |
圖3給出裂紋齒與正常齒的齒面硬度曲線。正常齒的表面硬度最高722 HV，自表面向內(nèi)部逐漸降低。心部硬度（抗拉強(qiáng)度）與滲層深度均符合技術(shù)要求，齒輪經(jīng)歷了正常的熱處理工藝過程。裂紋齒與正常齒的表層硬度差別很大。裂紋齒受磨削燒傷的影響，顯著降低齒面硬度至524 HV，影響深度為0.70～0.90 mm。
4.金相檢驗(yàn)
表4給出了金相組織檢驗(yàn)結(jié)果。由于磨削量較大，熱處理后的表面氧化層（0.01～0.02 mm）已完全去除，均未檢測到。滲碳層均無碳化物，心部組織均為低碳板條馬氏體，無塊狀鐵素體。正常齒的滲碳層為彌散分布的細(xì)小針狀馬氏體，殘余奧氏體含量為6%，符合技術(shù)要求，見圖4。裂紋齒的滲碳層殘余奧氏體因磨削燒傷的溫度升高而發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，幾乎無殘留奧氏體。
表4 滲碳層的金相組織
試樣 | 氧化層/μm | 碳化物/μm | 殘留奧氏體含量/% | 心部組織 |
裂紋齒 | No | No | 燒傷區(qū)：無 | 板條馬氏體 |
正常齒 | No | No | 6% | 板條馬氏體 |
要求值 | Max 38 | Max 10 | Max 20 | 板條馬氏體 |
（1）燒傷特征 磨削熱產(chǎn)生的溫度，從表至里逐漸降低，因此磨削燒傷使齒面也由表至里有規(guī)律地發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致硬度產(chǎn)生變化。圖5給出了典型燒傷區(qū)域的狀態(tài)，磨削熱的影響深度約0.75 mm，這與硬度-深度曲線的結(jié)果（圖4）吻合。齒面由表至里的金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體、回火索氏體、二次回火馬氏體、原一次回火馬氏體。結(jié)合以上的硬度分析，可以推測出磨削燒傷產(chǎn)生瞬時(shí)的溫度場梯度。
注意到圖5最外面有1個(gè)白亮色層，該層組織為強(qiáng)烈的磨削熱與冷卻液共同作用而得到的二次淬火馬氏體。圖6與圖7佐證了這一點(diǎn)，二次淬火層深度約0.90 mm，其硬度應(yīng)該顯著增加，測試值為781～804 HV。另外還應(yīng)注意到，最外面有大約1個(gè)晶粒深度的晶粒過燒現(xiàn)象，表明磨削熱相當(dāng)劇烈，使齒面溫度劇升，甚至超過1000℃。二次淬火層下側(cè)即為回火燒傷區(qū)，硬度顯著下降。隨著回火溫度降低，逐漸由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)樽睾稚?棕黃色，磨削熱產(chǎn)生的溫度使其依次發(fā)生回火索氏體（圖8）轉(zhuǎn)變、回火馬氏體轉(zhuǎn)變，硬度下將的趨勢也逐漸減弱。
（2）裂紋特征 首先考察二次磨削后裂紋區(qū)的顯微特征。圖9由5張金相圖片拼接而成，裂紋產(chǎn)生于磨削燒傷區(qū)（黑褐色區(qū)域）。早在1979年Torrance教授[1]研究證實(shí)，未燒傷工件表面從未發(fā)生磨削裂紋，磨削裂紋總是與工件的燒傷有關(guān)，裂紋總是由其附近的燒傷誘發(fā)而產(chǎn)生的。圖9可以看出，裂紋沿磨削燒傷影響區(qū)呈弧形向前擴(kuò)展，沿裂紋擴(kuò)展方向，裂紋寬度逐漸變窄。本研究中，裂紋最大深度約為1.45mm，長度8.50～10.50 mm。裂紋長大方向的一側(cè)為大面積燒傷帶，另一側(cè)為正常區(qū)域。正常區(qū)域?yàn)闈B碳淬火熱處理后的一次回火馬氏體，未受到磨削的熱影響。
圖10顯示了裂紋源附近的特征，裂紋最大寬度約0.18 mm，裂紋開口翹起高度為0.08 mm，說明裂紋源位置在開裂之前承受了巨大的拉應(yīng)力，產(chǎn)生較大的宏觀塑性變形。圖11給出了裂紋擴(kuò)展前沿的形貌，可以看出明顯的沿晶斷裂的特征。Torrance教授[1]曾報(bào)道，裂紋形核于二次淬火區(qū)域的內(nèi)側(cè)，大體上沿垂直于表面的方向穿過回火燒傷區(qū)域，在回火區(qū)域之下主裂紋會分岔，通過與原奧氏體晶粒晶界的對比，確認(rèn)裂紋呈現(xiàn)沿晶斷裂形貌，與淬火裂紋是一樣的。本文所觀察的磨削裂紋，基本與之一致。然而，因原一次回火馬氏體區(qū)域的強(qiáng)度較高，主裂紋在穿過回火燒傷區(qū)之后發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折，裂紋的擴(kuò)展方向大體與齒面平行。這一點(diǎn)，Torrance教授沒有提及。隨著裂紋擴(kuò)展的進(jìn)行，殘余應(yīng)力也逐漸釋放，裂紋長大的驅(qū)動(dòng)力降低，裂紋的寬度變小；裂紋停止長大前，長大方向又轉(zhuǎn)向更容易發(fā)生開裂的回火燒傷區(qū)，如圖9。
四、失效分析
1.燒傷原因
磨削加工對工件表面產(chǎn)生的缺陷分為3類：二次淬火燒傷、回火燒傷和裂紋[2]。當(dāng)表面溫度超過鋼的回火溫度而不超過Ar1線（~730℃）時(shí)，磨削表面將發(fā)生回火，即回火燒傷；燒傷的局部因而變軟，在應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形。當(dāng)溫度超過Ar1線后，就會形成奧氏體，隨后立即因快速冷卻發(fā)生淬火，形成脆硬的馬氏體組織，即二次淬火燒傷；二次淬火燒傷，總是在其內(nèi)側(cè)伴隨著回火燒傷；馬氏體組織呈膨脹狀態(tài)，表層處于壓應(yīng)力作用。
燒傷的直接原因是，砂輪片與齒面在一定壓力下產(chǎn)生大量的熱量，冷卻液未能及時(shí)有效地帶走，致使齒面溫度劇烈驟升，結(jié)果使齒面發(fā)生高溫回火；溫度過高則會導(dǎo)致奧氏體化，甚至奧氏體晶粒過燒，在冷卻液作用下發(fā)生二次淬火。一般齒面磨削燒傷的原因，與磨削加工的工藝參數(shù)有關(guān)，與原材料/熱處理基本無關(guān)。影響齒面燒傷的因素主要有：砂輪片的粒度/硬度/轉(zhuǎn)速，修行間隔，進(jìn)給量，磨削前進(jìn)速度，磨削壓力，冷卻液的能力/流量/速度/角度等。對于本次磨削燒傷，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場調(diào)查，由于冷卻液噴嘴位置不良，冷卻液未能有效地將磨削熱量帶走，引起齒面溫度急劇升高，引起滲碳層組織轉(zhuǎn)變，造成燒傷現(xiàn)象。
2.裂紋原因
引起磨削裂紋的因素有，內(nèi)因（原材料質(zhì)量/熱處理工藝）和外因（磨削工藝）。關(guān)于原材料缺陷，主要是較大的非金屬夾雜物，嚴(yán)重的帶狀組織或冶金成分偏析。關(guān)于熱處理，滲碳淬火齒輪表面磨削裂紋可能因素有晶粒粗大或馬氏體針粗大，網(wǎng)狀碳化物，過多的殘留奧氏體含量（20%以上）。關(guān)于機(jī)加工磨齒工藝，如上述的引起燒傷的因素，都可能造成熱應(yīng)力過大而引起齒面開裂。結(jié)合以上檢測分析結(jié)果，從3個(gè)方面討論該齒輪的裂紋原因。
（1）原材料分析 影響磨削裂紋的原材料因素主要是冶金質(zhì)量，包括化學(xué)成分，低倍缺陷（如偏析、疏松），和高倍缺陷（如非金屬夾雜、帶狀組織）。經(jīng)光譜分析與非金屬夾雜物檢驗(yàn)，原材料符合技術(shù)要求，不具備有利于燒傷或裂紋的因素。
（2）熱處理分析 檢測結(jié)果顯示，滲碳淬火后齒面硬度與金相組織達(dá)到技術(shù)要求，齒面硬度60.7～61.8HRC，表面碳含量為0.72%，表層組織為細(xì)小的針狀馬氏體，無碳化物，殘留奧氏體6%，遠(yuǎn)低于要求的20%。Tkhagapsoev等[3]研究表明，組織的非均勻性是產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力的根本原因，而殘余內(nèi)應(yīng)力在裂紋形成中占主導(dǎo)地位。當(dāng)表面碳化物尺寸達(dá)到6～10μm時(shí)，容易產(chǎn)生磨削裂紋，若碳化物發(fā)生聚集，裂紋趨勢急劇增加。滲碳層的表面碳含量降至0.60～0.75%時(shí)，幾乎不產(chǎn)生碳化物，滲碳層與心部的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度差異顯著縮小，殘余應(yīng)力也相應(yīng)減小。此條件下，齒輪表面形成磨削裂紋的可能性降低，即熱處理后齒面不具備利于磨削裂紋的因素。
（3）磨削分析 1976年Hahn提出了關(guān)于磨削應(yīng)力的熱塑性理論[4]，在回火燒傷區(qū)，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生于工件表面的燒傷區(qū)域的中心位置；然而當(dāng)二次淬火發(fā)生時(shí)，淬火區(qū)域受相變的影響而呈壓應(yīng)力狀態(tài)，與其緊鄰的回火燒傷區(qū)則呈最大拉應(yīng)力狀態(tài)，裂紋最容易在這里形核。裂紋沿原奧氏體晶界擴(kuò)展，是與工件在熱處理時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)的。Stickels[5]發(fā)現(xiàn)在奧氏體化過程中，碳化物更傾向于在奧氏體晶界溶解，而非奧氏體晶粒內(nèi)部。當(dāng)工件淬火時(shí)，馬氏體將首先在奧氏體的貧碳區(qū)（晶粒內(nèi)部）形成，隨著淬火進(jìn)行，馬氏體片朝著晶界方向迅速長大，不同位向的馬氏體片可能在晶界發(fā)生撞擊，引發(fā)強(qiáng)烈的局部應(yīng)變，也就可能造成沿晶的淬火顯微裂紋。即便未形成淬火裂紋，原奧氏體晶界仍是強(qiáng)度的薄弱區(qū)，成為磨削裂紋擴(kuò)展的快速通道。Wojcik等[6]發(fā)現(xiàn)，二次淬火區(qū)的深度可達(dá)到0.213mm，磨削裂紋可深入0.14～0.68mm，磨削裂紋的產(chǎn)生與砂輪的磨料、線速度、切削用量、冷卻液等息息相關(guān)。
對于本次磨削裂紋，由于冷卻液噴嘴位置不良，造成燒傷現(xiàn)象。原殘留奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨溫度升高而轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，300℃基本轉(zhuǎn)變完成。溫度繼續(xù)升高，發(fā)生二次淬火，由外至內(nèi)，從原來的一次回火馬氏體轉(zhuǎn)變成二次淬火馬氏體、高溫回火索氏體、二次回火馬氏體；淬火馬氏體、一次回火馬氏體、二次回火馬氏體、回火索氏體的比體積依次較小，相變必然引起比體積的變化；而比體積的變化則引起組織應(yīng)力，再加上急熱急冷造成的熱應(yīng)力，在燒傷影響區(qū)附近形成強(qiáng)烈的拉應(yīng)力，二次淬火燒傷與高溫回火燒傷的過渡區(qū)所受的拉應(yīng)力水平最高。一旦拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，即萌生裂紋。從宏觀上看，裂紋大體沿?zé)齻绊憛^(qū)的邊界向前擴(kuò)展；從微觀上看，受原奧氏體晶界的影響，裂紋在長大時(shí)表現(xiàn)為曲折前進(jìn)[1]，即沿晶斷裂特征。
五、結(jié)語
本研究中，因磨削工序中冷卻液噴嘴長時(shí)間未調(diào)整，處于不良的角度位置，冷卻液未能有效地將磨削熱量帶走，引發(fā)磨削燒傷并產(chǎn)生裂紋，造成生產(chǎn)浪費(fèi)。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等各方面加強(qiáng)過程質(zhì)量控制，將發(fā)生磨削燒傷/裂紋的可能性最小化。首先加強(qiáng)來料檢驗(yàn)，如成分分析、無損探傷以及純凈度檢驗(yàn)；其次，保證熱處理工藝處于穩(wěn)定的控制，獲得合格的滲碳硬化層顯微組織與心部組織；再次磨削加工中，合理選擇砂輪的磨料、硬度及粒度，控制冷卻液的成分、流量及角度，優(yōu)化工藝參數(shù)：砂輪線速度、磨削深度、進(jìn)給量、砂輪修整周期等。
文：孔德群/采埃孚傳動(dòng)系統(tǒng)（北京）有限公司
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