作为机械零件中的基础件，齿轮承担着传递运动和动力的关键任务。传统齿轮主要采用合金钢渗碳强化等处理方法来获得高耐磨表面硬化层和强韧化综合性能，渗碳热处理工艺的水准直接决定了齿轮的力学和服役性能。在齿轮制造过程中，齿面精度要求也越来越高，然而渗碳淬火过程中产生组织应力和热应力会导致齿轮变形，降低齿轮精度。为了保证齿轮的高精度成形，必须在渗碳淬火后对齿面进行磨削处理，以提高齿轮尺寸精度和表面质量。
齿面磨削加工中，60%～95%的磨削热量会直接传到齿面，超过临界值的热量可将齿面温度瞬时升至奥氏体温度并造成奥氏体转变，在磨削液的淬火作用下出现齿面热损伤。在齿轮渗碳淬火等热处理工序后进行齿面磨削时，如存在原材料缺陷、组织中有粗大网状或大块状碳化物、残余奥氏体含量高、畸变较大等问题，磨削热损伤加之不合理的磨削砂轮种类、砂轮硬度及粒度、进给量、冲程速度、冷却条件等因素的共同作用下，都会加大齿面开裂风险。
20CrMnTi 是一种制备大齿轮的常用渗碳合金钢，具有淬透性较高、低温冲击韧性好、抗疲劳性能优异的特点。渗碳过程使零件的表面形成高碳浓度层，可获得高硬度和高耐磨性，而心部碳含量较低，韧性较好。零件渗碳回火后再进行淬火和低温回火，以进一步提高其强度和韧性。本文针对 20CrMnTi 钢大齿轮加工过程出现的齿面异常开裂问题，从渗碳热处理工艺分析、理化检验和磨削加工角度探讨了齿面开裂的原因，为优质 20CrMnTi 钢大齿轮的生产加工提供科学依据。
1、20CrMnTi 钢大齿轮齿面开裂情况
大齿轮(直齿外齿轮)模数 m=16 mm。该齿轮的主要工艺流程：锻造→热(正火)→车→热(正火)→车→钻→镗→滚(滚齿)→热处理→车(切碳)→热(淬火)→车→磨齿→探伤→插齿→钳→入库。齿轮钢 20CrMnTi 的主要热处理工艺如图 1 所示。
大齿轮出现裂纹的齿面宏观形貌如图 2 所示，出现裂纹的部位在图 2(a)箭头所示的区域。切开发现裂纹存在齿轮表面，类似剥落，通过外力分开后断口见图 2(b)，裂纹沿距齿面 1~1.3 mm 下进行扩展，扩展面与渗层平行。齿面裂纹均位于节圆下方，由纵向裂纹与横向裂纹交织构成，呈半网格形。裂纹扩展方向与齿轮的轴向方向基本一致，即与齿轮的磨削方向基本一致，且第 12 齿靠近齿根位置均存在沿磨削方向垂直的规律性裂纹。
2、检验结果与分析
(1)化学成分与非金属夹杂物检验
对大齿轮材料进行化学成分检验，其化学成分如表 1 所示。由表 1 可知，大齿轮材料各元素成分与 20CrMnTi 成分标准吻合较好。
经非金属夹杂物分析，发现该齿轮非金属夹杂物 A 类为 0.5 级，B 和 C 类都为 0 级，D 和 DS 类都为 0.5 级，符合非金属夹杂物要求。
(2)金相检验
将该齿轮垂直于开裂齿面切开，制取齿宽方向的金相试样，裂纹齿面金相组织如图 3 所示。
由图 3(a)可看出，裂纹开口处向外呈错开状，接近尾部呈锯齿状，深度约为 1.5 mm。用 4%的硝酸酒精腐蚀后如图 3(b)所示，裂纹中部表层有亮白色组织，深度约 135 μm，紧邻亮白层组织的为深灰色组织，深度约 550 μm。其中，亮白色组织为淬火马氏体，深灰色组织为回火组织。
由图 3(c)可看出，亮白色组织为淬火隐针马氏体区，表面发生了磨削淬火烧伤，淬火层深度约为 150 μm。表面磨削时产生过多的磨削热，使齿面温度升到奥氏体转变温度 825 ℃以上，在切削液的冷却作用下，使表面发生产生二次淬火马氏体转变，此时体积增大，组织应力增大，使表层出现拉应力，而次表层由于温度在奥氏体转变温度之下，使低温回火马氏体转变为中高温马氏体回火组织(回火索氏体、回火屈氏体)，组织应力、热应力和切削力作用叠加产生裂纹。如图 3(d)所示心部组织为铁素体和贝氏体。
(3)硬度检验
分别对裂纹齿面与无裂纹齿面的有效硬化层硬度梯度进行检测，梯度曲线如图 4 所示，齿轮表面硬度 58~62 HRC，从图 3(b)可测出表层淬火区厚度为 135 μm，硬度约 855 HV(相当于 65.7 HRC)，由梯度可看出硬度是高-低-高的顺序，可判断表层产生了 淬火烧伤，紧接着产生了回火烧伤。大齿轮有效硬化层深度技术要求为 2.5~2.9 mm，滚齿时预留磨齿余量为 0.4~0.45 mm，经检测，无裂纹齿面的有效硬化层深度为 2.75~2.8 mm，这表明了渗碳淬火工艺合格。
(4)裂纹形貌
对剥离的裂纹碎片进行扫描电镜形貌分析，裂纹处的扫描电子形貌如图 5 所示。观察结果显示裂纹普遍呈现出典型的沿晶开裂特征，明显表现出晶间脆性的特征。通过将表面与内部的断口扫描电镜照片对比发现，表面晶间断裂远远多于内部，且有少量解理裂纹。
由图 5 可以看出，裂纹是在距齿轮表面 1~1.4 mm 处产生，同时在齿轮表面发现有沿磨削方向垂直的规律性裂纹，而这些特征通常是磨削裂纹的特征。裂纹是在磨削过程中产生，在磨削后发展，并且磨削留下的残余应力对裂纹的扩展起到促进作用。
3、结语
对工艺过程进行复盘，20CrMnTi 大齿轮化学成分和非金属夹杂物级别符合要求。有效硬化层金相组织符合要求，说明热处理工艺没有问题。在检查磨齿参数时，发现渗碳淬火齿轮的齿面磨削参数不合理(尤其是在粗磨阶段，砂轮进给量设置过大)，导致在齿表面形成二次淬火亮白层，这种亮白层组织硬度高达 65 HRC，呈拉应力状态;同时，次表层的磨削回火层硬度会显著降低，大约下降 12 HRC。从硬度梯度分布来看，呈现出高-低-高的典型磨削淬火烧伤特征。
建议磨齿时应降低进给量，选择合理的磨齿参数，在磨齿后进行探伤。经调整磨削参数后，后续加工的大齿轮经探伤后未出现齿面裂纹。
参考文献略.