分享：内环凸轮磨削开裂原因分析

摘 要:采用化学成分分析、金相检验及硬度测试等方法对某内环凸轮磨削开裂的原因进行了 分析.结果表明:内环凸轮淬火温度偏高且回火不足,导致其显微组织为粗大的针状马氏体及较多 的残余奥氏体,增大了内环凸轮磨削开裂的敏感性和残余内应力;同时磨削时进给量大,冷却不充 分,使内环凸轮表面产生了磨削烧伤变质层及较大的磨削应力;磨削应力、残余应力以及高速磨削 时的滚压应力共同作用导致了内环凸轮的磨削开裂. 

关键词:内环凸轮;磨削开裂;残余应力;磨削应力 

中图分类号:TH１３２．４７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４６６Ｇ０３

某批内环凸轮在磨削加工后发现表面有浅褐色 的回火烧伤及网络状裂纹,如图１所示,经磁粉探伤 后喷涂显像剂显示的网状裂纹更为清晰,如图２所 示.内环凸轮的设计要求如下:材料为 GCr１５钢,淬 回火马氏体级别为１~４级,硬度为５８~６４HRC;加 工流程为下料→锻造→球化退火→机加工→热处 理→磨削;热处理工艺为(８５０±１０)℃×１２０min井 式炉加热,油淬,(１８０±１０)℃×１２０ min和(２００± １０)℃×１２０min两次回火.笔者对内环凸轮的开裂 原因进行了分析,并提出了相应的改进措施.

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

沿 裂 纹 区 域 取 样,采 用 SPECTROLABM１０ 直 读光谱仪进行化学成分分析,结果见表１,可见各元素含量均符合 GB/T１８２５４－２０１６«高碳铬轴承 钢»对 GCr１５钢成分的技术要求.

１．２ 金相检验 

沿裂纹区域取样磨抛成金相试样,化学侵蚀法 显示其组织,采用蔡司 Axiovert２５CA 光学显微镜 进行观察.

裂纹分布于内环凸轮的浅表层,与表面垂直,由 表面向基体内部扩展;裂纹开口处较宽,尾部细窄而 刚健,呈沿晶扩展形貌,深度约为１．２５mm,如图３ 所示. 

内环凸轮表面存在明显的回火烧伤(黑色),烧 伤变质层深度约为０．２０mm,裂纹两侧无氧化脱碳, 裂纹穿透变质层向基体内部扩展,说明工件的内应 力较大[１],热处理回火不充分,如图４所示.

回火烧伤层显微组织为回火屈氏体＋少量残余 奥氏体＋少量残留碳化物,见图４.基体显微组织为粗大的针状马氏体＋较多的残余奥氏体＋少量残 留碳化物,局部区域的碳化 物 已 溶 解,见 图 ５.按 JB/T１２５５－２０１４«高碳铬轴承钢滚动轴承零件热 处理技术条件»评定,基体显微组织中的马氏体级别 远大于４级,说明实际加热温度超过了 GCr１５钢的 淬火上限温度８６０ ℃,炉温已失控. 

１．３ 硬度测试 

使用 HRＧ１５０A 洛氏硬度计进行硬度测试,基 体硬度为６４．０HRC,齿表面硬度为６０．０HRC.齿 表面硬度低于基体硬度,进一步说明内环凸轮在磨 削时表面产生了回火烧伤.

２ 综合分析 

磨削时砂轮的切刃与内环凸轮表面接触进行摩 擦切削,磨削所消耗的能量约８０％变成热量,可使 内环凸轮表面温度骤然升高,并向工件内部传导. 内环凸轮表面被回火后硬度下降,浅表层金属因比 容减小,体积收缩,受到内层金属的阻碍而引起拉应 力;另外,被磨削热加热而使体积膨胀了的浅表层金 属,在随后的冷却(冷却液作用下)期间,由于体积迅 速收缩受到内层金属的阻碍,也在浅表层内产生了 拉应力,这两部分拉应力即构成了磨削应力[２].磨 削应力仅存在于回火烧伤层内,该内环凸轮的回火 烧伤层深度仅为０．２０mm,而磨削裂纹的深度已达到１．２５mm,即磨削裂纹穿透了回火烧伤层深入基 体内部.根据格林菲斯理论,物体内储存的弹性应 变能的降低(或释放)就是裂纹扩展的动力,所以工 件的残余内应力驱动磨削层的磨削裂纹穿透变质层 继续向内部扩展.这说明内环凸轮的残余内应力较 大,热处理回火不充分,使得马氏体脆性大,淬火应 力释放不 完 全,增 大 了 内 环 凸 轮 产 生 磨 削 裂 纹 的 倾向.

内环凸轮淬火时形成粗针状马氏体及较多的残 余奥氏体,粗针状马氏体脆性大,残余奥氏体是一种 亚稳定组织,在低温和外力的作用下会转变成马氏 体[３]:一方面,在低温回火冷却过程中,部分残余奥 氏体向马氏体转变,形成二次淬火马氏体,使材料脆 性增大;另一方面,残余奥氏体在磨削热的作用下, 被诱发转变成脆性的淬火马氏体,这种新生的马氏 体集中于工件表面,引起工件局部体积膨胀,表面应 力增加,导致磨削层产生磨削裂纹.新生的淬火马 氏体脆性大,将加速磨削裂纹的产生. 

内环凸轮的网状裂纹分布于表面,深度较浅且 沿晶扩展,与磨削变质层并存,符合磨削裂纹的基本 特征.其自身存在的粗针状马氏体、较多的残余奥 氏体及回火不足等缺陷,是形成磨削裂纹的内在隐 患;磨削时进给量大,冷却不充分,致使内环凸轮表 面的受热温度超过其回火温度,产生了过回火烧伤 变质层,由磨削热引发的磨削应力导致了磨削裂纹 的产生.磨削裂纹是磨削时产生的拉应力超过了金 属材料的断裂强度而引起的表层开裂[４],内环凸轮 产生磨削开裂是由磨削应力、高速磨削时的机械(滚压)应力及残余内应力共同作用的结果.

３ 结论 

内环凸轮自身存在组织隐患,脆性的粗针状马 氏体及较多的残余奥氏体增加了其磨削开裂的敏感 性;磨削时进给量大,冷却不充分,所产生的磨削应 力与高速磨削时的机械(滚压)应力及原有的残余应 力相叠加,当总应力超过工件本身的断裂强度时,内 环凸轮便发生了磨削开裂.

４ 建议 

(１)定期检查热电偶,以免炉温失控造成热处 理工件批量报废. 

(２)严格控制淬火温度,减少残余奥氏体含量; 回火周期延长至２４０ min,以充分消除工件内部的 残余应力. 

(３)采用合适的磨削工艺,使内环凸轮表面受 热温度不超过其回火温度,避免磨削裂纹的产生.

参考文献: 

[１] 朱晓红,方政,徐育平．Cr１２MoV 钢刀具表面开裂原 因分析[J]．金属热处理,２００８,３３(１２):１００Ｇ１０２． 

[２] 孙盛玉,戴雅康．热处理裂纹分析图谱[M]．大连:大 连出版社,２００２． 

[３] 郭春秋,王荣,李光福．GCr１５钢磨削开裂的特征及影 响因素[J]．机械工程材料,２０１４,３８(９):９０Ｇ９４．

[４] 丛建臣,孙军,倪培相．锻钢曲轴曲柄臂过渡面裂纹 的产生原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１ (９):６６１Ｇ６６４．

文章来源——材料与测试网