CBN砂輪對GCr15鋼的磨削硬化試驗研究*

張 宇,梁國星,張 浩,郝建宇,程 強

(太原理工大學 機械與運載工程學院,山西 太原 030024)

0 引 言

磨削硬化是20世紀90年代新出現的一種復合加工技術,利用磨削熱對可淬硬鋼表面進行加熱,并利用工件基體的快速自冷卻及磨削力的綜合作用來實現材料表面硬化的新工藝。該工藝可以顯著提高工件表面硬度和耐磨性,達到了與表面硬化處理相同的性能[1]。該技術將磨削技術與熱處理技術很好地結合在一起,符合工程中日益倡導的過程集中和綠色制造的理念,發展潛力很大。磨削硬化效果是通過磨削硬化層來實現的,磨削硬化層的性能隨顯微組織的不同而不同。

大量實驗研究了磨削硬化過程中硬化層的形成機理。結果表明,與常規淬火方法相比,磨削硬化工藝可以產生磨削硬化層,其組織為細小馬氏體結構?，F階段對于磨削硬化國內外學者做了大量的研究,并取得了若干創新成果。劉菊東[2-3]對40Cr、65Mn鋼進行了磨削硬化實驗,結果表明在磨削溫度和應力的綜合作用下,完全硬化區硬度與基體相比提高了2.2倍。硬化層中奧氏體從表面到里層逐漸細化,其組織形貌呈現由細到粗再到細的規律;ORTEGA N[4]對AISI 1045鋼磨削硬化過程進行了建模并通過磨削硬化試驗對模型進行了校正。研究表明,可以通過在與磨削加工表面平行的表面施加熱源來模擬磨削硬化過程;ZARUDI I[5]針對AISI 4140鋼研究了磨削硬化層組織的形成以及磨削淬硬層的摩擦磨損與彎曲疲勞性能。實驗結果表明,磨削淬硬層是在溫度場與應力場的共同作用下形成的,磨削硬化層表面以下5 μm～6 μm處有細小的針狀馬氏體組織結構,并且磨削淬硬層中馬氏體結構的尺寸由表及里逐漸增大。綜上所述,磨削硬化已受到廣大學者的廣泛關注,文章系統地研究了磨削硬化層組織變化,分析了硬化層硬度均勻性以及磨削參數對硬化層硬度的影響,為磨削硬化加工提供了理論依據。

目前,國內外學者在磨削硬化領域已有了一些研究進展,但大多集中于白剛玉、棕剛玉砂輪[6-8]。CBN砂輪具有高硬度、耐高溫、磨削性能好等優良特征,在GCr15產品加工時,為同時兼顧其加工質量和加工效率,有必要開展磨削硬化加工。

本文采用電鍍CBN砂輪對GCr15鋼進行磨削硬化實驗,通過實驗結果分析磨削條件對于磨削硬化層的影響,并探究影像磨削硬化層均勻性的主要因素。

1 平面磨削試驗

試驗用樣件材料為退火態GCr15鋼,初始硬度為212 HV。

GCr15鋼化學成分如表1所示。

表1 GCr15鋼化學成分(質量分數/(%))

GCr15鋼微觀組織結構如圖1所示。

圖1 GCr15鋼微觀組織結構

退火態GCr15鋼在磨削前內部組織為鐵素體、珠光體、碳化物的混合結構,從圖1可以看出試件通過球化退火,球粒狀碳化物大量分布在鐵素體基體上,從而降低了表面硬度,改善了工件的切削性能,并且淬火時不易造成過熱現象[9]。

筆者用MV-40數控加工中心對GCr15鋼進行磨削硬化試驗,采用電鍍CBN砂輪,直徑100 mm,磨粒粒度200#,磨削方式為干磨與切入式逆磨。磨削后用電火花線切割機切取試件,用粒度不同的砂紙打磨并拋光,使試件表面呈鏡面狀,然后用4%硝酸酒精溶液侵蝕,最后用無水乙醇清洗以去除表面污物。采用暗場顯微鏡觀察表面微觀組織,使用硬度檢測儀對硬度進行觀察與研究。

試驗過程中采用的試驗參數如表2所示。

表2 試驗參數

2 試驗結果與分析

2.1 磨削表面組織分析

GCr15鋼磨削硬化層組織分布如圖2所示。

圖2為2號工件磨削硬化層的微觀組織分布。通常認為GCr15鋼淬火后的顯微組織常由黑、白相間的兩種馬氏體區域所組成,結合圖1,磨削后工件表面形貌與磨削前有明顯差異。從原理上分析,主要是由于在磨削過程中,工件磨削表面受到大量磨削熱導致溫升,使工件表面形貌發生改變。

從實驗結果來看,工件硬化層可分3個部分，即:完全硬化區、過渡區和基體。在GCr15鋼的磨削過程中,當磨削表面溫度超過工件相變溫度時,工件原始組織發生相變,經自我快速冷卻后形成完全硬化層,完全硬化層由細小馬氏體、分布在馬氏體基體上的白色球狀碳化物和少量殘留奧氏體組成[10]。完全硬化層與基體之間因為溫度小幅度削弱的原因出現過渡層,過渡層的組織由部分馬氏體、鐵素體和碳化物組成[11]?；w組織在硬化過程中沒有發生相變。由于磨削力的作用,基體中的鐵素體出現嚴重的斷裂。

圖2 磨削硬化層組織分布

2.2 硬化層硬度均勻性及分析

通過表面磨削實驗,筆者用HMV-G顯微維氏硬度計測定了1號至6號工件表面不同位置的顯微硬度。

硬度測量結果如表3所示。

表3 硬度測量結果(HV 0.5)

由表3可以看出：磨削后工件表面硬度沿寬度方向變化不明顯。這表明在工件表面的寬度方向上,熱量的傳遞是相對均勻的;沿砂輪進給方向,也就是磨削方向,硬度有逐漸變大的趨勢?？梢哉J為,工件表面硬度沿磨削方向的存在一定的規律性升高,但是硬度變化并不明顯。針對這種現象,筆者只處理沿磨削方向硬度的測量數據,而忽略沿寬度方向硬度分布的數據;進而由于工件表面馬氏體呈隨機分布,原始組織不均勻,造成數據分布離散,故將結果優化。

硬度測量優化結果如表4所示。

分析表4數據,砂輪剛進入切入區,產生的磨削熱少,所以切入區的硬化層硬度相對較低。在磨削的中間區硬度的變化相對緩慢,這是因為在這個區域內磨削溫度變化小,傳入這段區域得到熱量大致相同,在這段長度內硬度具有較高的一致性。在切出區,由于范圍的限制,熱源積累的時間增加,磨削產生的熱只能向工件里傳導,造成溫度的快速升高從而影響磨削硬化的效果?？傮w來看,硬度沿著磨削加工的方向呈現逐漸變大的趨勢。

表4 硬度優化結果(HV 0.5)

綜上所述,工件沿長度方向上的受熱不均勻是影響硬化層均勻性的重要原因[12]。在磨削硬化過程中,工件表面硬度值基本保持在穩定狀態,高于512 HV要求的表面硬度。由此可知,1號至5號工件均實現了磨削硬化,并出現了硬化層。

從微觀組織分析原因,工件在磨削硬化加工過程中,珠光體在Ac1～Ac3溫度范圍內首先轉變為奧氏體,但由于磨削時間和溫度的限制,導致奧氏體成分呈現不均勻性,這種不均勻的奧氏體可能導致馬氏體中的碳含量高于鋼在磨削硬化層局部區域的平均碳含量。由于碳含量是影響硬度的主要因素,最終硬化層表面硬度呈現出不均勻的特征。另外,在磨削過程中,試件中仍有一些未溶解的滲碳體,即殘余碳化物,會影響磨削硬化層硬度均勻性,并且工件材料中原始組織中的分布不均勻也會導致硬度分布不均勻[13]。

2.3 磨削參數對硬化層硬度的影響

2.3.1 磨削深度對硬化層硬度的影響

對比1、2、3號工件不同深度得到的磨削深度對顯微硬度的影響如圖3所示。

圖3 磨削深度對顯微硬度的影響

從圖3中可以看出:試件表面硬度隨著磨削深度的增加而增加。這是由于磨削深度的增加,使得磨料與工件之間的摩擦和壓縮增大。此外,磨削比高,在加工過程中產生大量的熱量,導致磨削區溫度較高。磨削比能高,熱量大,導致磨削區溫度高。因此,工件表面的奧氏體轉變完成,馬氏體的形成量也隨之增加。然后,工件表面硬度最終提高。

2.3.2 工件進給速度對硬化層硬度的影響

對比2號、4號、5號不同進給速度對顯微硬度的影響如圖4所示。

圖4 工件進給速度對顯微硬度的影響

由圖4可知:隨著進給速度的增加,表面硬度增加。這是由于進給速度的增加,使得磨削熱在工件表面停留的時間縮短。進入工件的熱量減少導致硬化層深度降低。與此同時,奧氏體的相變時間縮短,且隨著進給速度的增加,奧氏體的形成尺寸變小工件表面。馬氏體轉變后,當進給速度較低時,馬氏體晶粒尺寸明顯減小,使表面硬度增大略有增加。

2.4 硬化層深度方向硬度分布

No.2號工件沿深度方向硬度分布如表5所示。

由表5可知:表面硬度隨著離表面距離的增加而減小,呈非線性變化。

表5 No.2工件沿深度方向硬度分布

由表5所作對照圖沿深度方向硬度分布如圖5所示。

圖5 No.2工件沿深度方向硬度分布

由圖5可知:在離工件表面0～0.1 mm的位置,硬度變化緩慢,梯度沒有明顯下降。離工件表面距離再大,硬度迅速下降,最終達到工件基體硬度。根據硬度的變化,將磨削層分為高硬度區、硬度下降區和低硬度區。這一變化的原因是內部溫度電導率使得不同區域的微觀結構彼此不同。結合圖2,3個區域分別對應為完全硬化區、過渡區和基體。

磨削硬化工藝要求硬化層硬度應大于512 HV。因此,本文確定硬度大于512 HV的區域為硬化層。從圖5可以看出,隨著距離表面的距離增加,工件的硬度逐漸降低。本文得出磨削硬化層的總深度為0.12 mm。

3 硬化層的主動控制

研究表明,硬化層硬度對工件表面完整性的影響至關重要,因此,硬化層硬度的控制是目前磨削硬化技術的關鍵。

根據上述試驗可以得出,要得到高硬度的磨削層,可以通過增加CBN砂輪磨削的深度和工件的進給速度來實現。在硬化層均勻性分析實驗中可以看到,沿磨削方向,硬度有逐漸變大的趨勢,這是因為隨著磨削的進行,磨削熱和磨削力急劇增加,導致工件表面溫度瞬間增加,組織開始逐漸轉變為奧氏體。奧氏體通過工件本身的冷卻產生馬氏體,工件與空氣之間的熱流交換和工件內部的導熱影響著工件的冷卻速率。

通過分析可知,冷卻速率也是影響硬化層硬度的主要原因,且表面硬度隨冷卻速率的增加而增加。因此也可以通過控制冷卻速率來控制硬化層的硬度。

綜上所述,可以人為控制增加磨削深度和增加進給速度來提升硬化層硬度,還可以通過加快工件的冷卻速率來提升硬化層的硬度。

4 結束語

本文對GCr15鋼進行了磨削硬化實驗,通過實驗結果分析了磨削條件對于磨削硬化層的影響,并探究了影像磨削硬化層均勻性的主要因素。主要結論如下:

(1)磨削后觀察工件表面微觀組織。根據組織的分布,將工件分為完全硬化區、過渡區和基體區。完全硬化區由細小馬氏體、白色顆粒狀碳化物和少量殘留奧氏體組成。過渡區的組織部分由針狀馬氏體、鐵素體和碳化物組成。基體組織在硬化過程中沒有發生相變。由于磨削力的作用,基體中的鐵素體出現嚴重的斷裂;

(2)磨削后,工件表層出現磨削硬化層。磨削后工件表面硬度沿寬度方向變化不明顯,表面硬度沿磨削方向分布存在一定的不均勻現象。主要原因是由于磨削時間和溫度的限制,導致工件微觀組織的轉變不均勻,且工件材料中原始組織中的分布不均勻也會導致硬度分布不均;

(3)硬化層硬度隨磨削深度和進給速度的增加而增加?？梢匀藶榭刂圃黾幽ハ魃疃群驮黾舆M給速度來提升硬化層硬度,加快工件冷卻速率也可以提升硬化層硬度。硬化層硬度隨工件表面深度的增加而降低,試驗結果表明,硬化層深度大致為0.12 mm。