合金鋼齒輪制造過程中磨削裂紋的預防措施

黃志輝

(蘇州工業園區職業技術學院,江蘇 蘇州 215000)

合金鋼齒輪制造過程中磨削裂紋的預防措施

黃志輝

(蘇州工業園區職業技術學院,江蘇 蘇州 215000)

分析了合金鋼齒輪磨削裂紋產生的原因,歸納了齒輪滲碳淬火和磨削工藝過程中容易導致磨削裂紋產生的諸多因素,并針對這些因素,提出了解決問題的措施。

合金鋼齒輪;磨削裂紋;預防措施

在機械傳動設備中,20CrMnTi合金結構鋼由于具備較好的機械性能,被普遍作為重載傳動齒輪的材料。通過鍛造、正火、粗加工、退火、齒形加工、滲碳淬火、磨齒等一系列工序,最終制造出合格的齒輪。然而,實際生產制造過程中,有時因鋼件熱處理或磨削工藝處理不當,齒輪表面時常會出現磨削裂紋現象,影響了生產的順利進行。

1 磨削裂紋產生的原因分析

所謂磨削裂紋,是指齒輪經磨削后,在齒輪表面產生細而淺的裂紋,這些裂紋大多垂直于磨削方向,有時候,也有呈龜裂狀的細小裂紋,裂紋深度大約在011～012mm之間。齒輪表面出現裂紋,其實質是齒輪表面產生了過大的應力,當這些內在應力超過了材料強度的極限時,就會產生裂紋。

1.1 齒輪表面滲碳淬火工藝不當導致的裂紋

為達到齒輪的機械性能及表面硬度和耐磨性需求,20CrMnTi合金結構鋼齒輪需經過滲碳淬火工藝過程,滲碳淬火工藝過程不當,會給齒輪磨削裂紋的產生帶來隱患。

1.1.1 滲碳 表面滲碳常用氣體滲碳工藝,即將工件裝入密封的井式氣體滲碳爐中,加熱至900～950℃,采用液體碳氫化合物滴入滲碳爐中,使加熱后分解出活性碳原子,深入工件表面。滲碳過程中,加熱溫度高,則滲碳速度就快,擴散層的厚度也大,但溫度過高會引起奧氏體晶粒粗大,淬火后,形成粗大的針狀馬氏體,使材料變脆,磨削時容易發生脆裂。另外,滲碳含量的大小,對齒輪的磨削裂紋也會有影響,當含碳量高于112%,相應組織中便形成網狀或尖角狀碳化物,殘余奧氏體較多,過多而且分布不良的碳化物在磨削中會發生脆裂而形成裂紋,大量的殘余奧氏體在磨削過程中,由于受擠壓力的作用,會發生馬氏體轉變而形成局部體積膨脹,同時又在磨削熱的作用下引起收縮,最后形成拉應力導致裂紋產生。

1.1.2 淬火 淬火溫度過高,也會使齒輪表面形成粗針馬氏體,由于粗針馬氏體脆性高,磨削時就容易產生脆裂。

1.1.3 低溫回火 為使齒輪表面獲得較高的硬度和耐磨性,同時改善心部組織,滲碳淬火后要進行低溫回火處理,但如果回火不足,齒面磨削時,一旦溫度達到200～300℃,工件中殘留奧氏體就轉變為二次淬火組織,其體積膨大,形成內應力,導致裂紋產生。

1.2 齒輪表面磨削工藝不當導致的裂紋

磨削工藝不當,會產生較大的磨削熱,磨削熱會導致磨削裂紋的產生。據有關實驗資料顯示,齒輪表面磨削時,當砂輪線速度為V=18m/s,磨削深度t=0105mm時,磨削區的溫度達900～1100℃,這個溫度,足以使齒面金相組織發生變化,產生內應力,導致表面裂紋產生。在濕磨狀態下,如果冷卻程度得不到保證,依然會產生磨削裂紋。當工件表面溫度達到150～200℃時,因表面馬氏體分解,表面就因受到拉應力而開裂,裂紋狀態與磨削方向垂直。當工件表面溫度達到200℃以上時,因表面產生索氏體或托氏體,使表面拉應力超過脆斷抗力而出現龜裂現象。當表面溫度達到820℃以上時,就形成了淬火馬氏體,則其組織應力導致了磨削裂紋的產生。實際制造過程中,磨削熱得不到控制的原因大致有如下三個方面。

1.2.1 冷卻不充分 齒輪表面磨削,必須使用潤滑冷卻液,潤滑冷卻液一方面帶走磨削熱,起到降低磨削區溫度的作用,另一方面,起到潤滑和沖洗作用。但由于市場上潤滑冷卻液種類繁多,不同潤滑冷卻液的滲透性和潤滑性等特性差別較大,因此,如果潤滑冷卻液使用不當,磨削熱就得不到理想的控制。

1.2.2 砂輪不合適 砂輪的硬度和粒度對磨削熱的產生影響較大,砂輪太硬,自勵性就差,磨削過程中砂粒間的空隙易被磨屑堵塞,且不易脫落,使磨削接觸面積增大,磨削熱增加;砂輪粒度越小,砂輪與工件的接觸面積也相對增大,也會增加磨削熱。

1.2.3 磨削用量不合理 磨削用量指磨削速度、磨削深度和進給量,過大的磨削用量,使磨削力增大,砂輪與工件表面的摩擦力隨之增大,無疑會使磨削熱增加。

2 磨削裂紋產生的預防措施

針對磨削裂紋產生的原因,應在齒輪滲碳淬火和磨削工藝方面,采取相應措施,以防止磨削裂紋的產生。

2.1 合理使用滲碳淬火工藝

2.1.1 合理滲碳 由于過高的滲碳溫度,磨削時容易發生脆裂,所以滲碳溫度達到900℃即可。當爐內溫度降至880℃時,將工件取出緩冷。爐內滲碳時,嚴格控制液態碳氫化合物的滴入量和滴入速度,滲碳層表面的含碳量以0185%～1105%為好。

2.1.2 滲碳后淬火 淬火溫度不宜過高,為得到零件較好的心部和表層組織,可采用重新加熱淬火工藝,淬火溫度在800～850℃之間。

2.1.3 低溫回火 淬火后,采用低溫回火工藝,將工件加熱至180℃,保溫8h,然后空冷。如此低溫回火后的工件,一方面起到了減少淬火應力和提高工件韌性的功效,另一方面,有利于防止工件表面磨削時產生的熱量,引起表面馬氏體收縮而帶來的應力,減少了磨削裂紋出現的可能性。

圖1 20C rM nTi齒輪滲碳淬火工藝曲線示意圖Fig11 20CrMnTi gear carburizing and quenching process drawing

2.2 合理使用磨削工藝

2.2.1 合理冷卻 齒輪表面磨削,應采用濕磨法,選擇合適的潤滑冷卻液,盡量減小磨削熱,實現低溫狀態下磨削。實踐表明,使用普通水溶性冷卻液時,磨削表面易出現網狀裂紋,而采用油性含硫極壓磨削液時,由于極壓添加劑與金屬表面起作用,形成一層牢固的潤滑膜,在磨削界面的高壓下有良好的潤滑和抗粘著性能,一般不會產生磨削裂紋。因此,齒輪表面磨削,宜使用硫化極壓乳化油類潤滑冷卻液。有實驗表面,使用低標號機油也有較好的冷卻潤滑效果,但10號機油易產生泡沫,用20號機油比較理想。值得特別注意的是:在使用潤滑冷卻液冷卻時,要有足夠的流量和壓力,保證磨削區充分冷卻并及時沖掉粘附在砂輪上的切屑。

2.2.2 砂輪選擇 20CrMnTi材料表面滲碳淬火后,硬度可達HRC60左右,為了避免砂粒磨鈍而產生的磨削熱,砂輪硬度宜軟一些,按照磨具硬度等級,選用中軟砂輪比較適宜,以便磨鈍的砂粒及時脫落,減少砂輪與工件的摩擦力,利于保持砂輪的自銳性。同時,砂輪粒度不宜過細,細粒砂輪容易被堵塞,磨削時產生較大的熱量,使工件表面層容易出現燒傷及裂紋,砂輪粒度粗一些,冷卻條件也可以改善一些,以減少工件的發熱量,如果表面精度要求較高,也只有在最后精磨時,才可考慮用粒度號較高的細砂輪磨削。

2.2.3 合理使用磨削用量 使用適當的磨削用量,盡可能減少因過大的磨削用量而產生的磨削熱。特別是磨削深度不宜過大,砂輪轉速不宜過高,推薦選擇的砂輪轉速在25m/s左右,齒輪模數較大時,砂輪轉速可適當提高,反之,要適當降低砂輪轉速。實驗數據表明,20CrMnTi鋼齒輪,工件模數與砂輪線速度的無磨裂臨界比曲線如圖2所示,曲線右下方Ⅰ區為容易出現磨裂的危險區,曲線左上方Ⅱ區為安全區。磨削深度也要合理控制,粗磨時,推薦磨削深度在0102～0103mm之間,精磨時,推薦磨削深度在0101mm左右。

3 結 論

如上所述:為盡量減少齒輪磨削裂紋的產生, 20CrMnTi合金鋼齒輪制造過程中,應該特別關注滲碳淬火和磨削工藝。在滲碳淬火工藝過程中,注意保持適當的滲碳溫度和液態碳氫化合物的滴入量,滲碳層表面的含碳量可控制在0185%～1105%范圍內,并應控制好滲碳后淬火和低溫回火的溫度和時間;在齒輪磨削過程中,推薦使用的潤滑冷卻液為硫化極壓乳化油類潤滑冷卻液或20號機油,并合理使用砂輪和切削用量。

圖2 工件模數與砂輪線速度的無磨裂臨界比曲線Fig12 The critical ratio curve of the gear modulus and the grinding wheel linear velocity without grinding crack

[1] 《機械工程手冊》編輯委員會1機械工程手冊[M]1北京:機械工業出版社,19811

[2] 《金屬機械加工工藝人員手冊》修訂組1金屬機械加工工藝人員手冊[M]1上海:上海科學技術出版社,19871

[3] 鄧文英1金屬工藝學[M]1北京:人民教育出版社,19811

[4] 錢玖娟1滲碳淬火鋼齒輪磨削裂紋及其消除[J]1科學之友,2008(18):361

The Preventive Measures of Alloy Steel Gears Grinding Cracks in the Manufacturing

HUANG Zhihui
(Suzhou Industrial Park Vocational Technology Institute,Suzhou 215000,China)

The paper analyzed the reason of alloy steel gears grinding cracks,summed up many factors which affected grinding cracks easily in the process of the gear carburizing quenching and griding and pro-posed some measures to solve the problem.

alloy steel gear;grinding crack;prevention measures

TG 61

A

1671-7880(2010)05-0059-03

2010-08-10

黃志輝(1963— ),男,江蘇蘇州人,副教授,高級工程師,研究方向:機械制造。