徐州科源液压股份有限公司生产的合金钢齿轮，表层经渗碳淬火硬化后，在磨齿轮端面时发现裂纹、剥落及烧伤痕迹。根据齿轮渗碳层金相组织的显微分析，可以看出组织为马氏体、残余奥氏体和碳化物。其中，残余奥氏体含量(体积分数)约在 30%，碳化物级别为 3 级。按照《JB/T6141.3-1992 重载齿轮渗碳金相检验》标准评判，此金相组织为 4 级，残余奥氏体含量较高，致使磨削时组织转变量较多，表面应力较大，存在磨削裂纹潜在危险。
一、显微组织观察与显微硬度测试
显微组织分析
根据齿轮心部的显微分析，看到组织为板条状马氏体。
根据表面组织的显微分析，可以看出磨削平面表层为一较薄的亮层，次表层为颜色较暗的回火层。再往里才过渡到低温回火处理的正常组织。组织分布说明，零件磨削过程中，表层已被加热到奥氏体温度，因未经回火，质地坚硬，难以腐蚀，故在金相试样上呈白亮层。白亮层为二次淬火形成的马氏体组织。该组织的形成是由于磨削区磨削进给量非常大或冷却不足时，磨削区的温度非常高，达到了奥氏体化临界温度以上，随后冷却时形成了淬火马氏体组织。此时，组织变化造成体积比随之变化，产生了压应力。次表层温度虽也较高，但在相变温度下却高于低温回火温度，故在磨削过程中继续回火转变，成为回火索氏体和回火屈氏体。该组织容易接受腐蚀，在金相试样上呈暗黑色，受磨削热的影响，温度可达到 200～500℃，致使残留奥氏体转变生成马氏体。这一转变使体积比增大，在工件内部产生相变应力，再加上砂轮磨削工件时所造成的撕裂应力，造成磨削裂纹。
硬度及渗碳层深度检测
切割制样，对截面试样进行硬度检测，即在垂直于磨削平面的深度上测其显微硬度。根据测量结果，表面白亮层硬度很高;次层的低硬度与回火温度相对应;往内部的低温回火过渡时，硬度却又升高，并在一定深度范围内保持一定值;直到超过渗碳层后，硬度值逐渐下降。金相法测得渗碳层深 1.2～1.4mm，符合技术要求。
裂纹微观形貌
磨削裂纹断面清洁而无氧化色，呈脆性形态的断口形貌。显微观察磨削裂纹深度较浅(0.2～0.4mm)并沿晶发展，尾部较细尖，裂纹在次表层分叉。
二、综合分析
由上述显微组织观察结果与显微硬度测试结果的一致性可判断，此批齿轮磨削时产生了磨削裂纹和浅层剥离，属于典型的磨削开裂。
磨削裂纹是磨削拉应力超过材料断裂强度所致。砂轮的切削是利用砂轮中许多多角形的砂粒形成很多小刀，和工件接触时进行摩擦切削。切削过程中，刀刃(砂粒)前面的金属受到挤压和撕裂，刀刃后面的金属与砂轮的剧烈摩擦使晶粒受拉和滑移，因而引起金属的弹性与塑性变形。当切削作用停止后，金属表层在弹性变形力的作用下力求恢复原位，因此出现平行磨削轨迹的拉伸应力，但磨削裂纹的形成不仅与磨削条件和工艺有关，还与材质、热处理不良等因素有密切关系。
磨削工艺的影响
磨削加工工艺参数对磨削烧伤和裂纹的产生具有决定性作用。磨削时，由于金属的塑性变形以及砂轮与工件的剧烈摩擦，使磨削所消耗的 80%的功变成热量。大部分的热量导入工件表面，可以使表面瞬时温度达到 800～ 1000℃，严重时甚至可使表面呈金属融化状态。这种高温势必引起工件表面层组织和性能的改变。磨削变热的特点是瞬间(约 0.01s)快速升温，形成很陡的温度梯度，随即又以 800～1000℃/s 的速度冷却。受热后表层金属体积膨胀，但受到内层冷金属的制约，引起塑性变形方式缓解，因此产生残余拉应力。温度越高，金属导热性越差;温度梯度越陡，则热应力越大。所以，选择合理的磨削工艺参数尤为重要。
(1)磨削深度的影响。增加磨削深度，单颗粒的切削厚度增大，同时参与切削的磨粒数也增多。因此，在磨削过程中磨削力增大、产生热量增多，导致磨削表面及表层内的温度增加，且受到回火作用的程度与深度也增加。因此，磨削深度的增加加大了工件被烧伤的程度和裂纹的形成。所以，必须严格控制磨削深度，尤其是硬度较高的工件。
(2)砂轮切削速度的影响。提高砂轮切削速度或增大砂轮直径，使砂粒的切削厚度随着砂轮圆周速度增加而减少。曾有人研究磨削切削深度与砂粒速度之间的关系，得出提高砂轮速度必须减少切削深度的对应关系，找出了非磨损烧伤的安全区。根据实际情况，若要实现无烧伤磨削，砂轮圆周速度为 600m/min 时，切入深度应控制在 0.09mm 以下。若砂轮速度提高到 1000m/min，切入深度应减少到 0.05mm 左右。
若砂粒的切削圆半径与切削之间比例失调，砂粒的切削刃后面的材料受挤压而产生塑性变形引起摩擦，使摩擦热增加和磨削区温度急剧升高导致烧伤。再者，如果选用的砂轮过硬，粒度过细，砂轮表面也易被磨堵塞，从而使砂轮和工件间形成挤压摩擦，使切削区产生大量的热，也易导致烧伤。
(3)工件转速的影响。若工件转动速度增加时，虽单颗粒的切削厚度增大，磨削热也增加，但工件转速增大，意味着热源在工件表面的移动速度加快。因此，磨削区的热作用时间缩短，单位时间内单位切削面积上传入工件的热量减少，结果是随工件转速的增大，工件最表面的峰值温度有所增加，次表面的峰值温度有所降低。工件移动速度越快，表面层内的温度下降梯度也越大。因而，回火层深度反而减少。由此可见，适当增大工件转速有利于减轻烧伤。
材质的影响
材料加工性能与其化学成分和组织密切相关。钢中碳的含量从 0.1%增加到 0.8%时，磨削的单位效率可提高 4 倍，且零件的表面质量指标可获得最佳数值。如果钢中加入 Cr、Mo、Ni、W 和 V 等合金元素，可生成 Cr23C6、 Fe3Mo3C、Fe3W3C 和 MoC、VC、WC、TiC 等碳化物。由于 WC、TiC 和 VC 等碳化物稳定性好，在奥氏体中溶解度低，同时具有高硬度和融化温度，所以这些残留碳化物会使砂轮磨粒迅速磨损，从而使磨削区的摩擦热增加，温度急剧上升。这不仅降低了加工效率，还会引起工件表层内较深组织的变化和裂纹的形成。工件内部组织分布不均匀，呈网络状或条状时，易在磨削后延脆性组织分布方向出现磨削裂纹。这时由于不同显微组织热导率不同，当钢中存在较多的碳化物和残余奥氏体时，将严重影响钢的导热能力，增加磨裂的敏感性。
渗碳工艺的影响
渗碳层碳浓度过高或碳化物形成网状分布或块状分布于晶界，不但削弱了晶界的结合，而且明显地影响热传导，加剧磨削裂纹的生成。淬火后，组织应力、热应力增大。磨削时，也易产生应力集中而开裂。
淬火工艺的影响
对于渗碳件来说，出现磨削裂纹倾向也随渗碳后淬火温度的提高而增加。20CrMnTi 钢经 930℃渗碳后，分别预冷到 860℃和 830℃淬火，再经 200℃回火处理后，淬火温度高，磨裂倾向大。这是由于高温引起晶粒长大而形成的粗针状马氏体中含碳量的增加使热导率减小，摩擦热增加，因而也增加了热应力。此外，高碳马氏体存在许多微裂纹，被认为是高碳马氏体断裂强度降低的主要原因。实践证明，粗大马氏体和大量残余奥氏体的存在，即使谨慎的轻微磨削也极易产生磨削裂纹。
回火工艺的影响
淬火后的回火温度、保温时间和回火次数，对磨裂倾向影响很大。回火温度低，保温时间短，回火不充分，则硬度较高，马氏体中微裂纹多而脆性大，极易产生磨削裂纹。20CrMnTi 渗碳淬火后磨削全部出现磨裂，经 180℃回火后磨裂比例降至 60%～70%;当在 200℃保温 3 小时回火后，磨裂倾向已趋于 0。对于未回火的马氏体组织磨削，磨削热足以使马氏体发生转变，析出碳化物，造成零件表面与内部的比容差，从而引起较高的内应力，形成裂纹。
磨削液的影响
磨削液在对工件表面冷却的同时具有对冲洗切屑、防止砂轮孔隙堵塞等的清洁作用，以及减少磨粒与工件间的摩擦、防止零件温度上升、保持零件尺寸精度避免磨削损伤等作用。如果在磨削时冷却不充分或磨削液选用不当，磨削产生的热量也足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火形成淬火马氏体，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可能导致磨削表面出现磨削裂纹。后续的循环应力将使裂纹扩展开来形成宏观裂纹。特别注意轴和齿轮类零件的转角台阶处，由于磨削过程中冷却液不易进入而引起“热积聚”现象。磨削温度较高，散热条件较差，易引起磨削烧伤和磨削裂纹，此时磨削工艺参数的选择尤为重要。
机床精度的影响
由于机床主轴跳动造成砂轮与工件互相撞击也会引起烧伤。
三、建议措施
对现场的工艺及工艺的执行情况进行排查、整改，整改措施如下。
第一，降低渗碳件的淬火温度。在 930℃中渗碳，渗碳后直接淬火，淬火温度由 860℃降至 830℃。
第二，调整回火温度与回火保温时间。春、秋、夏三季的回火时间由 2 小时延长至 3 小时;冬季延长至 4 小时，且回火温度的下限从 180℃提高到 200℃，80 排量以上的齿轮进行二次回火 2H，或在 160～180℃的热油中进行时效 12 小时。
第三，控制表面碳浓度，碳浓度控制在 0.65% ～ 0.8%。碳浓度分布梯度要平缓，以保障良好的表面强度和应力分布。重载齿轮的碳含量应控制在下限，以有利于控制碳化物的大小和形状。碳含量控制在上限时，会增强形成残余奥氏体的趋向，并有增加碳化物、表层氧化与降低齿根强度的趋向。据有关资料表明，美国对重载齿轮表面碳浓度已控制在 0.65%左右。
第四，控制残余奥氏的数量，防止齿轮在磨削时产生组织转变而产生较大的组织应力。严格控制残余奥氏体在 25%之内，对重载齿轮应控制在 20%以内。控制碳化物的大小、数量、形态和分布，以获得弥散分布细颗粒碳化物，从而提高材料的断裂强度，减少脆性。控制马氏体的级别，要获得隐晶状、细针状的马氏体，避免产生粗大针状马氏体，从而减少裂纹源，以提高材料的断裂强度。马氏体的级别 3 级最佳。
第五，选用力度较为锋利的砂轮 PA36-46J，将原用砂轮硬度为 K 级更换为 J 级;减少吃刀量，增加走刀(磨削)次数，提高砂轮转速;保持砂轮修整器金刚石的锋利状况，因为其锋利的工作状态是修好砂轮的前提和保证。
第六，增大冷却液的流量及喷射冲刷的力度，定期清洗冷却油箱，检查滤网、更换新油，确保冷却质量和效果。
经采取以上措施，严重的磨削裂纹全部予以消除。
四、结语
综上所述，磨削裂纹产生的根本原因是金属表面在磨削过程中产生的热量无法及时被冷却介质带走，表层材料被重新回火或形成新生的淬火马氏体，使表层产生很高的组织应力和热应力形成拉应力所致。可见，不良的组织状态和磨削工艺是造成磨削裂纹产生的主要原因。
参考文献略.