磨削裂纹产生的原因及其防止方法

　　1、引言

　　磨削加工广泛应用在机械加工中，但淬火后的工件，特别是高碳钢、工具钢及渗碳淬火件，往往在与磨削方向垂直或接近垂直的方向出现磨削裂纹，有的呈龟裂状(网状裂纹)，严重影响其加工质量。用酸腐蚀，裂纹明显易见。本文通过对塞规、块规等量具进行试验并展开分析，找到了磨削裂纹产生的原因，并提出了防止方法，为高碳钢、工具钢及渗碳后的淬火件磨削提供了技术支撑。

　　2、对螺纹塞规裂纹的分析

　　2.1 裂纹情况及其受热处理、磨削规范的影响

　　选用材料CrMn或T10A等工具钢，加工工艺为锻造→退火→冷加工→淬火→磨削。加工完成后，在塞规上发现裂纹，有时废品率很高，且直径越大越易产生裂纹。磨削裂纹平行地出现在塞规的工作面上并与磨削方向垂直，裂纹很深，在个别塞规上，裂纹甚至深达5mm。剖视金相，发现裂纹表面干净清洁，且并未氧化。

　　(1)金属原材料对裂纹产生的影响

　　塞规在正常温度下淬火。研究裂纹处金相组织，证明在金属原材料中并无缺陷，即无碳化物偏析或其他分布不均匀的化合物。在具有正常金相组织的塞规中也产生裂纹，如在隐蔽的马氏体组织及均匀碳化物组织的塞规中产生了裂纹。

　　在个别情况下，塞规具有粗针状马氏体组织，证明塞规在淬火时发生了过热现象。

　　产生裂纹的塞规大部分是由毛坯经锻造再退火制成，由于工艺参数及终锻时间的差异，珠光体颗粒大小也不同，有些地方还可以看到碳化物网络。

　　有时在存在裂纹的塞规断面中心看到奥氏体和托氏体组织，说明冷却并不十分激烈，同时在马氏体转变时产生的应力还不足以加深裂纹。

　　退火后绝大部分毛坯具有粒状珠光体基体，也有具有索氏体类型的珠光体及较分散的碳化物网络(有的比锻后更深)。

　　对原材料进行车削制作塞规，分析可知原材料中没有较多的金相夹杂物，其金相组织为粗粒珠光体及微量的扩散珠光体。

　　(2)热处理及磨削规范的影响

　　塞规在加工时采用各种不同的热处理规程与磨削规范(见表1、表2)。

　　表1 塞规热处理规程

　　表2 磨削规范

　　由表1可知过热后淬火的塞规具有粗针状马氏体，在采用1类规范的进刀量磨削时未发现大量裂纹。

　　在正常淬硬的具有无方向性细马氏体组织塞规上，经840℃一860℃淬火，150℃回火，回火时间为3h，硬度为63—64HRC，按1类规范进行磨削，发现66%产生裂纹，按3类规范磨削几乎全部产生裂纹，按2类规范磨削时由于散热效果较好，虽然去除铁屑的速率较大但不易产生裂纹。

　　在经过840℃一860℃淬火，200℃回火，回火时间为3h的塞规上，即使采用较大的磨削规范(0.85mm进刀、2m周速)进行磨削，也很少发现有裂纹。

　　在一批采用正常热处理规范的塞规上，采用2类规范加大速度进行磨削，只在其中一个塞规上出现裂纹，硬度高达63~64HRC。以上情况说明磨削裂纹产生的原因并非锻造和所使用的磨削规范，而在于其它原因。

　　(3)回火的影响

　　为了检查回火质量，把几个塞规对半剖开，一半连续多次经150℃回火，此后，二半叠起进行磨削螺纹，磨后再用4%HNO3酒精溶液腐蚀。两半试样结果相同，说明回火可以消除淬火内应力。因为经二次回火后塞规颜色若变深，则说明塞规中有马氏体存在(回火后的马氏体更易腐蚀)。试验发现：有裂纹的塞规再经二次高温(200~220℃)回火，裂纹均有所改善，但硬度会降低2~3HRC，证明提高回火温度可以消除淬火过程中产生的内应力，大大降低塞规废品率。

　　淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态，有应力存在，容易产生磨削裂纹。为减少和消除这种应力，在淬火后应马上进行回火处理。一般情况下使工件在150~200℃左右回火来消除磨削裂纹;如经过一次回火后仍产生磨削裂纹，可采用二次回火或人工时效;如允许稍降低工件硬度，可将工件在300℃左右回火，回火时间4h以上来防止龟裂;如工件硬度要求不高，而零件表面要求较高时，可进行调质处理(将回火温度提高到400℃以上回火)来消除磨削裂纹。

　　2.2 磨削后裂纹产生处的金相组织分析

　　检查螺纹塞规表面金相组织：两个在磨前表面硬度均为55~57HRC的塞规，磨后螺纹硬度分别为45HRC和51HRC。针对不同硬度选用不同的砂轮进行磨削，前者采用胶木粉黏结的砂轮，后者采用粒度为230的石英砂黏结的砂轮。当磨削深度为0.85mm时工件硬度均降低且未发现裂纹。与此同时，发现在同一塞规上硬度不均匀，有的地方硬度为40—48HRC，有的地方硬度为49—57HRC，说明磨削时砂轮、工件、刀具等各处温度不同。若提高磨削速度可减少裂纹的产生，这是因为高速磨削可缩短砂轮与工件表面的连续接触时间，减少工件被磨部位瞬时产生的磨削热，降低表面温升。在分析产生裂纹的原因时，不能只专注于热处理及磨削工艺上，还应该注意到磨螺纹时产生热与热传导的过程。在磨削过程中，如果磨削规范提高则散热措施及冷却液的需要更为迫切，必须防止产生过大的磨削热。工件被磨削部位若没有良好的冷却会产生瞬时高温，特别是在磨削平面或内孔时更容易出现这种现象。温升过速，马氏体分解过快，体积骤然收缩，形成大的张应力而产生磨削裂纹。冷却液的冷却能力与其导热性及热容量有关，水是热容量和传热性最好的液体。为了降低零件温度及防当塞规冷却到马氏体形成温度时，自油中取出放置在空气中冷却，经验证明这样可以减少残余奥氏体量(如果是某碳钢或低合金钢，自油中取出最好放入水中)。

　　把塞规在热油中保持一定时间后再放入冷水中，不会降低残余奥氏体量。磨削时在表面层产生的组织变化，不是由于生成新的奥氏体(这些奥氏体后来转变为马氏体)，而是由于热处理时产生的残余奥氏体的转变。当残余奥氏体在受热后转变为马氏体时塞规体积显著增大，会引起很大应力，在磨削时会造成磨削裂纹。为了防止产生此磨削裂纹，必须全部消除残余奥氏体，即是把回火温度提高到220—230℃(如果允许降低硬度到57HRC);不允许降低硬度的情况下可采用冰冷处理(-70℃以下)。

　　3、对块规裂纹的分析

　　3.1裂纹情况及其受热处理、磨削规范的影响

　　块规材料选用CrMn或T10A等工具钢，经锻造→退火→冷加工→淬火→磨削后，工件表面上出现非氧化性裂纹。2.5—10mm块规经常因出现裂纹而产生大量废品，废品率达60%—70%，有时甚至整批报废。少数块规回火不够时发现碳化物分布不均匀，一些组织良好的块规也有开裂现象。在1.7—10mm的块规上采用了如下的热处理工艺：预热到550—600℃保温3min;加热到840—860℃保温25—30min后淬火;在40—60℃油中放置5—40min;在空气中冷却至室温;冷却到~50℃或~7O℃，保持30—35min。在此温度下继续保持3h，淬火后冷处理前停放的时间为1—3h;自冷处理设备中取出放置于空气中;在130—140℃，回火10h。

　　试验证明，在较高的恒温回火时硬度仅为62HRC，为了保持高硬度采用了长时间的低温回火(即130—140℃，回火10h)。块规的预热在300×300小电炉中进行，每炉放人250—300块。

　　3.2磨削后裂纹产生处的金相组织分析

　　裂开块规的金相组织呈现无方向的马氏体及均匀分布的碳化物，没有过热痕迹，在裂纹处硬度较低，并无退火象征，在磨削时残余奥氏体转变为马氏

　　体而产生裂纹，经过冰冷处理的块规中很少有残余奥氏体而产生裂纹。

　　采用相同加工工艺，不同加工余量，厚10mm以下的块规，两面放磨量为0.25—0.35mm，而厚20mm以上块规两面放磨量为0.7—1.0mm。结果发现：只有厚度为2—10mm中等尺寸的块规上出现磨削裂纹，在相同材料尺寸大于10mm的块规以及钢皮制成的小于2mm的块规上并未发现磨削裂纹。原因是块规本身形状很简单，由于本身形状而引起相当大应力的理由不能成立。经多次改变磨削规范和更换砂轮，也没有改善裂纹，即用改变磨削工艺的方法改善裂纹也是不可能的。

　　采用5%HN03水溶液腐蚀30—40s后，浸入苏打水再用水冲洗，最后在12%HCL水溶液腐蚀30s后再用水冲洗，在块规上出现明显的过热的踪影;热处理后磨削前的块规用50%盐酸水溶液中煮，发现其测量面的侧面上有裂纹。钢制零件淬火时，其各个部位奥氏体分解不是在同一时间进行，使每堆奥氏体间产生组织转变的应力。如果块规表面存在脱碳层，那么在边缘的奥氏体转变温度较中心更高，即奥氏体转变首先从块规边缘开始，奥氏体转变速度不同会导致块规表面层产生组织应力而出现裂纹。由于块规表面几何形状单纯，淬火时奥氏体转变成马氏体应力还不足以产生裂纹，但若是提高磨削用量会产生磨削应力从而引起裂纹。块规中如果存在脱碳层，淬火过程中就会开裂，不会等到磨削时才产生。也可以在淬火后用检查其表面硬度的方法来证实有无脱碳层。结果发现：有些块规仅仅磨去0.05mm就达到正常硬度HRC62，而有些块规要磨去0.16mm才能达到正常硬度62HRC。表面脱碳层达到0.20mm是磨不掉的，因为放磨不多且是在两面磨削，其最小加工余量一般为0.03—0.08mm。最后证实在测量表面有时出现灰斑点的脱碳层(硬度低于62HRC)。

　　3.3 减少裂纹的工艺

　　为了消除磨削裂纹，改变加热介质来防止脱碳，即将电气炉淬火改用盐溶炉，其热处理过程保持不变，发现块规表面裂纹可全部消除。

　　4、零件材质

　　基于以上分析，马氏体的膨胀收缩率随着钢中含碳量的增加而增大，故碳素工具钢(以上)和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。当零件硬度和表面外观质量均要求较高时，便不能选用碳素工具钢和渗碳淬火钢。对于零件表面外观质量要求较高，或零件是急件而不能经过1—2个月自然时效的，使用砂轮受到限制;磨床数量少而粗精磨在同一台机床上加工，不能采用干磨法(污染严重)时，就只能在零件材质上考虑，可选用含碳量低的1Crl3、40Cr等钢种。

　　5、磨削裂纹防止方法

　　(1)加工工序为：退火→冷加工→淬火→粗磨→定性→冷冻→精磨→研磨;

　　(2)提高回火温度，重新回火，精加工时严格控制残余奥氏体数量，防止网状碳化物产生;

　　(3)改善冷却条件，降低砂轮硬度，降低磨削进给量，降低磨削线速度及提高工件转速等;

　　(4)降低硬度的最高限值或更换零件材料。