作為機(jī)械零件中的基礎(chǔ)件，齒輪承擔(dān)著傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的關(guān)鍵任務(wù)。傳統(tǒng)齒輪主要采用合金鋼滲碳強(qiáng)化等處理方法來(lái)獲得高耐磨表面硬化層和強(qiáng)韌化綜合性能，滲碳熱處理工藝的水準(zhǔn)直接決定了齒輪的力學(xué)和服役性能。在齒輪制造過(guò)程中，齒面精度要求也越來(lái)越高，然而滲碳淬火過(guò)程中產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致齒輪變形，降低齒輪精度。為了保證齒輪的高精度成形，必須在滲碳淬火后對(duì)齒面進(jìn)行磨削處理，以提高齒輪尺寸精度和表面質(zhì)量。
齒面磨削加工中，60%～95%的磨削熱量會(huì)直接傳到齒面，超過(guò)臨界值的熱量可將齒面溫度瞬時(shí)升至奧氏體溫度并造成奧氏體轉(zhuǎn)變，在磨削液的淬火作用下出現(xiàn)齒面熱損傷。在齒輪滲碳淬火等熱處理工序后進(jìn)行齒面磨削時(shí)，如存在原材料缺陷、組織中有粗大網(wǎng)狀或大塊狀碳化物、殘余奧氏體含量高、畸變較大等問(wèn)題，磨削熱損傷加之不合理的磨削砂輪種類、砂輪硬度及粒度、進(jìn)給量、沖程速度、冷卻條件等因素的共同作用下，都會(huì)加大齒面開裂風(fēng)險(xiǎn)。
20CrMnTi 是一種制備大齒輪的常用滲碳合金鋼，具有淬透性較高、低溫沖擊韌性好、抗疲勞性能優(yōu)異的特點(diǎn)。滲碳過(guò)程使零件的表面形成高碳濃度層，可獲得高硬度和高耐磨性，而心部碳含量較低，韌性較好。零件滲碳回火后再進(jìn)行淬火和低溫回火，以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和韌性。本文針對(duì) 20CrMnTi 鋼大齒輪加工過(guò)程出現(xiàn)的齒面異常開裂問(wèn)題，從滲碳熱處理工藝分析、理化檢驗(yàn)和磨削加工角度探討了齒面開裂的原因，為優(yōu)質(zhì) 20CrMnTi 鋼大齒輪的生產(chǎn)加工提供科學(xué)依據(jù)。
1、20CrMnTi 鋼大齒輪齒面開裂情況
大齒輪(直齒外齒輪)模數(shù) m=16 mm。該齒輪的主要工藝流程：鍛造→熱(正火)→車→熱(正火)→車→鉆→鏜→滾(滾齒)→熱處理→車(切碳)→熱(淬火)→車→磨齒→探傷→插齒→鉗→入庫(kù)。齒輪鋼 20CrMnTi 的主要熱處理工藝如圖 1 所示。
大齒輪出現(xiàn)裂紋的齒面宏觀形貌如圖 2 所示，出現(xiàn)裂紋的部位在圖 2(a)箭頭所示的區(qū)域。切開發(fā)現(xiàn)裂紋存在齒輪表面，類似剝落，通過(guò)外力分開后斷口見圖 2(b)，裂紋沿距齒面 1~1.3 mm 下進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展面與滲層平行。齒面裂紋均位于節(jié)圓下方，由縱向裂紋與橫向裂紋交織構(gòu)成，呈半網(wǎng)格形。裂紋擴(kuò)展方向與齒輪的軸向方向基本一致，即與齒輪的磨削方向基本一致，且第 12 齒靠近齒根位置均存在沿磨削方向垂直的規(guī)律性裂紋。
2、檢驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)化學(xué)成分與非金屬夾雜物檢驗(yàn)
對(duì)大齒輪材料進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，其化學(xué)成分如表 1 所示。由表 1 可知，大齒輪材料各元素成分與 20CrMnTi 成分標(biāo)準(zhǔn)吻合較好。
經(jīng)非金屬夾雜物分析，發(fā)現(xiàn)該齒輪非金屬夾雜物 A 類為 0.5 級(jí)，B 和 C 類都為 0 級(jí)，D 和 DS 類都為 0.5 級(jí)，符合非金屬夾雜物要求。
(2)金相檢驗(yàn)
將該齒輪垂直于開裂齒面切開，制取齒寬方向的金相試樣，裂紋齒面金相組織如圖 3 所示。
由圖 3(a)可看出，裂紋開口處向外呈錯(cuò)開狀，接近尾部呈鋸齒狀，深度約為 1.5 mm。用 4%的硝酸酒精腐蝕后如圖 3(b)所示，裂紋中部表層有亮白色組織，深度約 135 μm，緊鄰亮白層組織的為深灰色組織，深度約 550 μm。其中，亮白色組織為淬火馬氏體，深灰色組織為回火組織。
由圖 3(c)可看出，亮白色組織為淬火隱針馬氏體區(qū)，表面發(fā)生了磨削淬火燒傷，淬火層深度約為 150 μm。表面磨削時(shí)產(chǎn)生過(guò)多的磨削熱，使齒面溫度升到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度 825 ℃以上，在切削液的冷卻作用下，使表面發(fā)生產(chǎn)生二次淬火馬氏體轉(zhuǎn)變，此時(shí)體積增大，組織應(yīng)力增大，使表層出現(xiàn)拉應(yīng)力，而次表層由于溫度在奧氏體轉(zhuǎn)變溫度之下，使低溫回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈邷伛R氏體回火組織(回火索氏體、回火屈氏體)，組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和切削力作用疊加產(chǎn)生裂紋。如圖 3(d)所示心部組織為鐵素體和貝氏體。
(3)硬度檢驗(yàn)
分別對(duì)裂紋齒面與無(wú)裂紋齒面的有效硬化層硬度梯度進(jìn)行檢測(cè)，梯度曲線如圖 4 所示，齒輪表面硬度 58~62 HRC，從圖 3(b)可測(cè)出表層淬火區(qū)厚度為 135 μm，硬度約 855 HV(相當(dāng)于 65.7 HRC)，由梯度可看出硬度是高-低-高的順序，可判斷表層產(chǎn)生了 淬火燒傷，緊接著產(chǎn)生了回火燒傷。大齒輪有效硬化層深度技術(shù)要求為 2.5~2.9 mm，滾齒時(shí)預(yù)留磨齒余量為 0.4~0.45 mm，經(jīng)檢測(cè)，無(wú)裂紋齒面的有效硬化層深度為 2.75~2.8 mm，這表明了滲碳淬火工藝合格。
(4)裂紋形貌
對(duì)剝離的裂紋碎片進(jìn)行掃描電鏡形貌分析，裂紋處的掃描電子形貌如圖 5 所示。觀察結(jié)果顯示裂紋普遍呈現(xiàn)出典型的沿晶開裂特征，明顯表現(xiàn)出晶間脆性的特征。通過(guò)將表面與內(nèi)部的斷口掃描電鏡照片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表面晶間斷裂遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于內(nèi)部，且有少量解理裂紋。
由圖 5 可以看出，裂紋是在距齒輪表面 1~1.4 mm 處產(chǎn)生，同時(shí)在齒輪表面發(fā)現(xiàn)有沿磨削方向垂直的規(guī)律性裂紋，而這些特征通常是磨削裂紋的特征。裂紋是在磨削過(guò)程中產(chǎn)生，在磨削后發(fā)展，并且磨削留下的殘余應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到促進(jìn)作用。
3、結(jié)語(yǔ)
對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤，20CrMnTi 大齒輪化學(xué)成分和非金屬夾雜物級(jí)別符合要求。有效硬化層金相組織符合要求，說(shuō)明熱處理工藝沒有問(wèn)題。在檢查磨齒參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)滲碳淬火齒輪的齒面磨削參數(shù)不合理(尤其是在粗磨階段，砂輪進(jìn)給量設(shè)置過(guò)大)，導(dǎo)致在齒表面形成二次淬火亮白層，這種亮白層組織硬度高達(dá) 65 HRC，呈拉應(yīng)力狀態(tài);同時(shí)，次表層的磨削回火層硬度會(huì)顯著降低，大約下降 12 HRC。從硬度梯度分布來(lái)看，呈現(xiàn)出高-低-高的典型磨削淬火燒傷特征。
建議磨齒時(shí)應(yīng)降低進(jìn)給量，選擇合理的磨齒參數(shù)，在磨齒后進(jìn)行探傷。經(jīng)調(diào)整磨削參數(shù)后，后續(xù)加工的大齒輪經(jīng)探傷后未出現(xiàn)齒面裂紋。
參考文獻(xiàn)略.