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球铁曲轴感应淬火后磨削裂纹问题

我公司生产的QT800-5某型号四缸曲轴,经轴颈感应淬火+回火+精磨后,在光滑的轴颈表面上产生了微裂纹,有的呈带状分布,深度较浅,且基本一致,形态上辨别为龟裂或网状,如图1所示,也有单条直线裂纹(或多条平行的点条裂纹),如图2所示。磨削裂纹的产生严重影响了曲轴的使用性能,导致曲轴断裂破坏,只能报废处理,给公司经营造成了一定的损失。

1.磨削裂纹的产生分析

由于磨削时零件表面的温度可能高达820~840℃或更高,所以磨削裂纹的产生通常是由磨削热引起。一方面,淬火时产生的残余奥氏体,在磨削时受磨削热影响即发生分解,逐渐转变为马氏体,这种新生的马氏体集中于表面,引起零件局部体积膨胀,加大了零件表面应力,导致磨削应力集中,继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生。另一方面,如果在磨削时冷却不充分,磨削而产生的热量足以使磨削表面薄层重新奥氏体化,随后再次淬火成为淬火马氏体。因而使表面层产生附加的组织应力,再加上磨削所形成的热量使零件表面的温度升高极快,这种组织应力和热应力的迭加超过材料的强度极限时,被磨削的表面就会出现磨削裂纹。

2.磨削裂纹特征 

(1)磨削裂纹与一般淬火裂纹明显不同,磨削裂纹只发生在磨削面上,深度较浅,且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向的平行线,且是规则排列的条状裂纹。较严重的裂纹呈龟裂状(封闭网络状),其深度大致为0.03~0.5mm,如用酸腐蚀,裂纹明显易见。

(2)磨削裂纹在显微镜下观察,主要表现为穿晶而过,但也有沿着晶界延展的。

磨削裂纹,也可说是由表面二次淬火形成。 如果磨削过于剧烈,零件表面瞬时温度极高,致使工件表面在很薄区域内重新奥氏体化,再由于随后的快速冷却,则造成该表层重新淬火,通常称为二次淬火。该薄层的组织为淬火马氏体+残余奥氏体,酸浸蚀后呈白色,在白色的淬火层下面是黑色的回火屈氏体组织,所以这种零件的显微组织由外及里为淬火马氏体+残余奥氏体→淬火马氏体+回火屈氏体→回火屈氏体+回火马氏体→回火马氏体(正常组织)。

3.样件分析

该曲轴的加工路线:铸造→正火→机加工→感应淬火→去应力回火→探伤→磨削。由表面至心部基体组织应为:淬硬层是回火马氏体,心部为珠光体。

感应淬火及时回火,经探伤合格后,才转至磨削工序,那么裂纹就是在该工序产生,及磨削裂纹,而非淬火裂纹。

体积变化,热处理前后各种组织不同是引起体积变化的主要原因,马氏体-珠光体-奥氏体的比体积依次减小。马氏体的膨胀率随着基体中含碳量的增加而增大。

图3是解剖图1所示有裂纹的曲轴样件,沿轴颈径向取样,低倍下观察轴颈表面的裂纹形貌,一些区域裂纹出现分岔,但石墨分布均匀,没有异常的片状、蠕虫状石墨。裂纹深0.50mm,呈倒T形分布,两侧边分布宽2.9mm。

在用3%硝酸酒精腐蚀后,裂纹处出现了白亮色的异常斑块,如图4所示。

在高倍下斑块区域为淬火马氏体,如图5所示。

淬火马氏体层深0.15mm,而其他区域的淬火层组织为回火马氏体。淬层深2.1mm,淬层硬度为48HRC,轴颈基体珠光体96%,如图6所示。

正常情况下,轴颈表面淬硬层的组织应为单一的回火马氏体组织,轴颈表面出现的淬火马氏体组织应当是在磨削时形成,而且只能是磨削时形成这样的斑块的轮廓。由于磨削时操作不当,在磨削处产生了很高的温度,使得这些区域的组织奥氏体化,经磨削液的冷却作用转变为淬火马氏体。由于表面的组织温度很高,在表层相变区域内的出现了相变应力及热应力,但次表层的组织没有产生转变,对表层相变区的热膨胀和冷却收缩起到阻碍的作用,使得在表层相变区形成裂纹。

4.磨削工序采取以下措施 

磨削裂纹的产生是一失效形式,是由磨削热所致,所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。

(1)控制原始应力,淬火应力的存在应是造成磨削裂纹的原因之一。从以上分析知道,产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态,有应力存在,要减少和消除这种应力,即淬火后应马上进行充分回火处理,我们采取370℃保温2小时回火处理,以消除淬火形成的残余应力,硬度保持在HRC46-52,易磨削,效果好。 

(2)选择合适磨削方式,在精磨之前加半精磨工序。在淬火后,径向还有0.5mm的加工余量,半精磨选用粒度较粗的软砂轮磨削,便于强力磨削,提高效率,然后再用粒度细的砂轮进行快速精磨,减少背吃刀量,也避免烧伤。这是一较理想的方法。

(3)及时修整砂轮,恢复其磨削能力。用于半精磨、精磨的砂轮,磨几条轴后,其磨削力就减弱,如不修整,只能靠延时来达到所需的加工尺寸,这样极容易产生烧伤、裂纹。那么,定时的修整砂轮,保持其良好的性能,是简单易行且行之有效的措施。

(4)选择合适的磨削量,也可以降低磨削热的产生。磨削产生的热量与砂轮单位时间内切除的金属量大致成正比,因此适当减小磨削深度、降低进给量,可以减少磨削裂纹产生。有的员工为了提高产能、突击任务,增大磨削量,以提高磨削速度,结果也增大了磨削热,便产生磨削裂纹。应严格控制磨削进给量。

(5)整个磨削过程,采用湿磨,且增大切屑液的浓度,不仅给砂轮和工件以冷却,给磨削以润滑,也给砂轮以冲洗。这也是降低磨削热的途径。


作者:李永真、崔文庆、赵向方

单位:滨州海得曲轴有限责任公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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