徐州科源液壓股份有限公司生產的合金鋼齒輪，表層經滲碳淬火硬化后，在磨齒輪端面時發現裂紋、剝落及燒傷痕跡。根據齒輪滲碳層金相組織的顯微分析，可以看出組織為馬氏體、殘余奧氏體和碳化物。其中，殘余奧氏體含量(體積分數)約在 30%，碳化物級別為 3 級。按照《JB/T6141.3-1992 重載齒輪滲碳金相檢驗》標準評判，此金相組織為 4 級，殘余奧氏體含量較高，致使磨削時組織轉變量較多，表面應力較大，存在磨削裂紋潛在危險。
一、顯微組織觀察與顯微硬度測試
顯微組織分析
根據齒輪心部的顯微分析，看到組織為板條狀馬氏體。
根據表面組織的顯微分析，可以看出磨削平面表層為一較薄的亮層，次表層為顏色較暗的回火層。再往里才過渡到低溫回火處理的正常組織。組織分布說明，零件磨削過程中，表層已被加熱到奧氏體溫度，因未經回火，質地堅硬，難以腐蝕，故在金相試樣上呈白亮層。白亮層為二次淬火形成的馬氏體組織。該組織的形成是由于磨削區磨削進給量非常大或冷卻不足時，磨削區的溫度非常高，達到了奧氏體化臨界溫度以上，隨后冷卻時形成了淬火馬氏體組織。此時，組織變化造成體積比隨之變化，產生了壓應力。次表層溫度雖也較高，但在相變溫度下卻高于低溫回火溫度，故在磨削過程中繼續回火轉變，成為回火索氏體和回火屈氏體。該組織容易接受腐蝕，在金相試樣上呈暗黑色，受磨削熱的影響，溫度可達到 200～500℃，致使殘留奧氏體轉變生成馬氏體。這一轉變使體積比增大，在工件內部產生相變應力，再加上砂輪磨削工件時所造成的撕裂應力，造成磨削裂紋。
硬度及滲碳層深度檢測
切割制樣，對截面試樣進行硬度檢測，即在垂直于磨削平面的深度上測其顯微硬度。根據測量結果，表面白亮層硬度很高;次層的低硬度與回火溫度相對應;往內部的低溫回火過渡時，硬度卻又升高，并在一定深度范圍內保持一定值;直到超過滲碳層后，硬度值逐漸下降。金相法測得滲碳層深 1.2～1.4mm，符合技術要求。
裂紋微觀形貌
磨削裂紋斷面清潔而無氧化色，呈脆性形態的斷口形貌。顯微觀察磨削裂紋深度較淺(0.2～0.4mm)并沿晶發展，尾部較細尖，裂紋在次表層分叉。
二、綜合分析
由上述顯微組織觀察結果與顯微硬度測試結果的一致性可判斷，此批齒輪磨削時產生了磨削裂紋和淺層剝離，屬于典型的磨削開裂。
磨削裂紋是磨削拉應力超過材料斷裂強度所致。砂輪的切削是利用砂輪中許多多角形的砂粒形成很多小刀，和工件接觸時進行摩擦切削。切削過程中，刀刃(砂粒)前面的金屬受到擠壓和撕裂，刀刃后面的金屬與砂輪的劇烈摩擦使晶粒受拉和滑移，因而引起金屬的彈性與塑性變形。當切削作用停止后，金屬表層在彈性變形力的作用下力求恢復原位，因此出現平行磨削軌跡的拉伸應力，但磨削裂紋的形成不僅與磨削條件和工藝有關，還與材質、熱處理不良等因素有密切關系。
磨削工藝的影響
磨削加工工藝參數對磨削燒傷和裂紋的產生具有決定性作用。磨削時，由于金屬的塑性變形以及砂輪與工件的劇烈摩擦，使磨削所消耗的 80%的功變成熱量。大部分的熱量導入工件表面，可以使表面瞬時溫度達到 800～ 1000℃，嚴重時甚至可使表面呈金屬融化狀態。這種高溫勢必引起工件表面層組織和性能的改變。磨削變熱的特點是瞬間(約 0.01s)快速升溫，形成很陡的溫度梯度，隨即又以 800～1000℃/s 的速度冷卻。受熱后表層金屬體積膨脹，但受到內層冷金屬的制約，引起塑性變形方式緩解，因此產生殘余拉應力。溫度越高，金屬導熱性越差;溫度梯度越陡，則熱應力越大。所以，選擇合理的磨削工藝參數尤為重要。
(1)磨削深度的影響。增加磨削深度，單顆粒的切削厚度增大，同時參與切削的磨粒數也增多。因此，在磨削過程中磨削力增大、產生熱量增多，導致磨削表面及表層內的溫度增加，且受到回火作用的程度與深度也增加。因此，磨削深度的增加加大了工件被燒傷的程度和裂紋的形成。所以，必須嚴格控制磨削深度，尤其是硬度較高的工件。
(2)砂輪切削速度的影響。提高砂輪切削速度或增大砂輪直徑，使砂粒的切削厚度隨著砂輪圓周速度增加而減少。曾有人研究磨削切削深度與砂粒速度之間的關系，得出提高砂輪速度必須減少切削深度的對應關系，找出了非磨損燒傷的安全區。根據實際情況，若要實現無燒傷磨削，砂輪圓周速度為 600m/min 時，切入深度應控制在 0.09mm 以下。若砂輪速度提高到 1000m/min，切入深度應減少到 0.05mm 左右。
若砂粒的切削圓半徑與切削之間比例失調，砂粒的切削刃后面的材料受擠壓而產生塑性變形引起摩擦，使摩擦熱增加和磨削區溫度急劇升高導致燒傷。再者，如果選用的砂輪過硬，粒度過細，砂輪表面也易被磨堵塞，從而使砂輪和工件間形成擠壓摩擦，使切削區產生大量的熱，也易導致燒傷。
(3)工件轉速的影響。若工件轉動速度增加時，雖單顆粒的切削厚度增大，磨削熱也增加，但工件轉速增大，意味著熱源在工件表面的移動速度加快。因此，磨削區的熱作用時間縮短，單位時間內單位切削面積上傳入工件的熱量減少，結果是隨工件轉速的增大，工件最表面的峰值溫度有所增加，次表面的峰值溫度有所降低。工件移動速度越快，表面層內的溫度下降梯度也越大。因而，回火層深度反而減少。由此可見，適當增大工件轉速有利于減輕燒傷。
材質的影響
材料加工性能與其化學成分和組織密切相關。鋼中碳的含量從 0.1%增加到 0.8%時，磨削的單位效率可提高 4 倍，且零件的表面質量指標可獲得最佳數值。如果鋼中加入 Cr、Mo、Ni、W 和 V 等合金元素，可生成 Cr23C6、 Fe3Mo3C、Fe3W3C 和 MoC、VC、WC、TiC 等碳化物。由于 WC、TiC 和 VC 等碳化物穩定性好，在奧氏體中溶解度低，同時具有高硬度和融化溫度，所以這些殘留碳化物會使砂輪磨粒迅速磨損，從而使磨削區的摩擦熱增加，溫度急劇上升。這不僅降低了加工效率，還會引起工件表層內較深組織的變化和裂紋的形成。工件內部組織分布不均勻，呈網絡狀或條狀時，易在磨削后延脆性組織分布方向出現磨削裂紋。這時由于不同顯微組織熱導率不同，當鋼中存在較多的碳化物和殘余奧氏體時，將嚴重影響鋼的導熱能力，增加磨裂的敏感性。
滲碳工藝的影響
滲碳層碳濃度過高或碳化物形成網狀分布或塊狀分布于晶界，不但削弱了晶界的結合，而且明顯地影響熱傳導，加劇磨削裂紋的生成。淬火后，組織應力、熱應力增大。磨削時，也易產生應力集中而開裂。
淬火工藝的影響
對于滲碳件來說，出現磨削裂紋傾向也隨滲碳后淬火溫度的提高而增加。20CrMnTi 鋼經 930℃滲碳后，分別預冷到 860℃和 830℃淬火，再經 200℃回火處理后，淬火溫度高，磨裂傾向大。這是由于高溫引起晶粒長大而形成的粗針狀馬氏體中含碳量的增加使熱導率減小，摩擦熱增加，因而也增加了熱應力。此外，高碳馬氏體存在許多微裂紋，被認為是高碳馬氏體斷裂強度降低的主要原因。實踐證明，粗大馬氏體和大量殘余奧氏體的存在，即使謹慎的輕微磨削也極易產生磨削裂紋。
回火工藝的影響
淬火后的回火溫度、保溫時間和回火次數，對磨裂傾向影響很大。回火溫度低，保溫時間短，回火不充分，則硬度較高，馬氏體中微裂紋多而脆性大，極易產生磨削裂紋。20CrMnTi 滲碳淬火后磨削全部出現磨裂，經 180℃回火后磨裂比例降至 60%～70%;當在 200℃保溫 3 小時回火后，磨裂傾向已趨于 0。對于未回火的馬氏體組織磨削，磨削熱足以使馬氏體發生轉變，析出碳化物，造成零件表面與內部的比容差，從而引起較高的內應力，形成裂紋。
磨削液的影響
磨削液在對工件表面冷卻的同時具有對沖洗切屑、防止砂輪孔隙堵塞等的清潔作用，以及減少磨粒與工件間的摩擦、防止零件溫度上升、保持零件尺寸精度避免磨削損傷等作用。如果在磨削時冷卻不充分或磨削液選用不當，磨削產生的熱量也足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火形成淬火馬氏體，使表面層產生附加的組織應力。再加上磨削所形成的熱量使零件表面的溫度升高極快，這種組織應力和熱應力的迭加可能導致磨削表面出現磨削裂紋。后續的循環應力將使裂紋擴展開來形成宏觀裂紋。特別注意軸和齒輪類零件的轉角臺階處，由于磨削過程中冷卻液不易進入而引起“熱積聚”現象。磨削溫度較高，散熱條件較差，易引起磨削燒傷和磨削裂紋，此時磨削工藝參數的選擇尤為重要。
機床精度的影響
由于機床主軸跳動造成砂輪與工件互相撞擊也會引起燒傷。
三、建議措施
對現場的工藝及工藝的執行情況進行排查、整改，整改措施如下。
第一，降低滲碳件的淬火溫度。在 930℃中滲碳，滲碳后直接淬火，淬火溫度由 860℃降至 830℃。
第二，調整回火溫度與回火保溫時間。春、秋、夏三季的回火時間由 2 小時延長至 3 小時;冬季延長至 4 小時，且回火溫度的下限從 180℃提高到 200℃，80 排量以上的齒輪進行二次回火 2H，或在 160～180℃的熱油中進行時效 12 小時。
第三，控制表面碳濃度，碳濃度控制在 0.65% ～ 0.8%。碳濃度分布梯度要平緩，以保障良好的表面強度和應力分布。重載齒輪的碳含量應控制在下限，以有利于控制碳化物的大小和形狀。碳含量控制在上限時，會增強形成殘余奧氏體的趨向，并有增加碳化物、表層氧化與降低齒根強度的趨向。據有關資料表明，美國對重載齒輪表面碳濃度已控制在 0.65%左右。
第四，控制殘余奧氏的數量，防止齒輪在磨削時產生組織轉變而產生較大的組織應力。嚴格控制殘余奧氏體在 25%之內，對重載齒輪應控制在 20%以內。控制碳化物的大小、數量、形態和分布，以獲得彌散分布細顆粒碳化物，從而提高材料的斷裂強度，減少脆性。控制馬氏體的級別，要獲得隱晶狀、細針狀的馬氏體，避免產生粗大針狀馬氏體，從而減少裂紋源，以提高材料的斷裂強度。馬氏體的級別 3 級最佳。
第五，選用力度較為鋒利的砂輪 PA36-46J，將原用砂輪硬度為 K 級更換為 J 級;減少吃刀量，增加走刀(磨削)次數，提高砂輪轉速;保持砂輪修整器金剛石的鋒利狀況，因為其鋒利的工作狀態是修好砂輪的前提和保證。
第六，增大冷卻液的流量及噴射沖刷的力度，定期清洗冷卻油箱，檢查濾網、更換新油，確保冷卻質量和效果。
經采取以上措施，嚴重的磨削裂紋全部予以消除。
四、結語
綜上所述，磨削裂紋產生的根本原因是金屬表面在磨削過程中產生的熱量無法及時被冷卻介質帶走，表層材料被重新回火或形成新生的淬火馬氏體，使表層產生很高的組織應力和熱應力形成拉應力所致。可見，不良的組織狀態和磨削工藝是造成磨削裂紋產生的主要原因。
參考文獻略.