齒軸表面磁粉積聚原因分析及如何預(yù)防？

齒輪軸是一種重要的傳動(dòng)件,，在其生產(chǎn)工序的末端,，需要進(jìn)行磁粉探傷檢查，主要是用來(lái)檢查齒軸表面是否有裂紋,。某單位生產(chǎn)的齒軸,，材料為20CrMnMo,，加工工藝為：齒坯鍛造→粗車→超聲波探傷→等溫正火→半精車→滾花鍵→滲碳淬火→精車→磨外圓→磨花鍵→打標(biāo)記→磁粉探傷，磁探時(shí)發(fā)現(xiàn)11件產(chǎn)品軸身表面出現(xiàn)磁粉積聚現(xiàn)象,，其中送檢的齒軸T型花鍵處也有龜裂狀磁痕,，因此對(duì)該齒軸磁粉積聚現(xiàn)象進(jìn)行原因分析。

1.檢測(cè)方法

首先對(duì)齒軸進(jìn)行宏觀形貌分析,，對(duì)齒軸的磁痕部位進(jìn)行線切割取樣,，經(jīng)打磨、拋光等金相制樣后,，用顯微硬度計(jì)對(duì)滲層進(jìn)行硬化層深度檢測(cè),，在金相顯微鏡上檢查其金相組織、非金屬夾雜物等,。然后在齒軸心部取樣,，在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析。

2.試樣檢測(cè)

（1）磁粉探傷檢查

齒軸宏觀形貌如圖1所示,，軸長(zhǎng)約為30cm,，軸身直徑約為6cm；磁粉探傷結(jié)果如圖2所示：圖2a中T形花鍵表面出現(xiàn)龜裂狀磁痕現(xiàn)象,，具有磨削裂紋特征,；圖2b軸身表面出現(xiàn)多條磁痕，磁痕多呈短條狀,，呈材料發(fā)紋類缺陷特征,。

（2）化學(xué)成分檢查

在齒軸心部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1,，可知各元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077—1999中對(duì)20CrMnMo鋼成分的合格要求,。

表1   齒軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測(cè)結(jié)果  （%）

（3）金相檢查

在T形花鍵磁痕處取樣，制樣拋光后觀察橫截面,，橫截面多處存在與磨削表面垂直且向內(nèi)擴(kuò)展的細(xì)小裂紋,，裂紋僅存在于零件淺表層，其擴(kuò)展深度大致相同,，為0.1～0.2mm,；裂紋曲折、剛直,，局部呈斷續(xù)狀,，尾部尖細(xì)，如圖3所示,。此外,，裂紋兩側(cè)組織均為馬氏體，無(wú)氧化、脫碳,、網(wǎng)狀碳化物等熱處理缺陷,，如圖4所示?；ㄦI處表面硬度及有效硬化層深等都符合技術(shù)要求,。

在軸身發(fā)紋處取樣，其橫截面拋光態(tài)形貌如圖5所示,，表面及近表層無(wú)夾渣,、疏松等缺陷，但表層和近表層多處存在硫化物夾雜,，因此,，在磁粉探傷時(shí)，該區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)發(fā)紋類缺陷特征,，磁粉積聚是由硫化物夾雜所引起的,；軸身表層組織為馬氏體，存在偏析現(xiàn)象,，如圖6所示,；非金屬夾雜物評(píng)定為A1.5、D0.5,，如圖7所示,。

齒軸表面磁粉積聚原因分析及如何預(yù)防？

（1）花鍵處裂紋原因分析及預(yù)防措施

通過(guò)以上檢測(cè)結(jié)果的特征可知,，T形花鍵表面出現(xiàn)的龜裂狀磁痕積聚現(xiàn)象是由磨削裂紋引起的,。這種磨削裂紋一般比較細(xì)淺，肉眼很難察覺,，但利用磁粉探傷則很容易探出,。磨削裂紋的產(chǎn)生與磨削處工件的形狀有一定的關(guān)系，磨削處工件的尖角結(jié)構(gòu)有明顯的誘裂作用,。

在本文中由于T形花鍵處裂紋兩側(cè)組織均為馬氏體,，無(wú)氧化、脫碳,、網(wǎng)狀碳化物等熱處理缺陷,，花鍵處表面硬度及有效硬化層深都符合技術(shù)要求，由上可知,，該齒軸的熱處理工藝正常,，不是造成磨削燒傷的主要原因。那么可以推知,，該花鍵處的磨削裂紋主要跟磨削不當(dāng)有關(guān)，同時(shí)跟花鍵處T形形狀有一定關(guān)系,。

導(dǎo)致磨削裂紋的原因主要有如下幾種：

其一,，工件經(jīng)滲碳淬火后,，在金相組織中出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀碳化物、殘余奧氏體時(shí),，或者由于回火不充分導(dǎo)致齒軸殘余應(yīng)力過(guò)大時(shí),，在磨削時(shí)都容易產(chǎn)生磨削裂紋。

其二,，在磨削過(guò)程中,，會(huì)在工件表面產(chǎn)生大量的磨削熱，導(dǎo)致工件表面膨脹,，同時(shí)熱量迅速向內(nèi)部擴(kuò)散,，而工件表面受到冷卻液噴淋而收縮，但工件內(nèi)層因溫度升高發(fā)生膨脹,，因此工件表層受到拉應(yīng)力,。另外，工件的外表面受到砂輪的磨削應(yīng)力,，當(dāng)這兩個(gè)應(yīng)力的疊加超過(guò)該工件材料的強(qiáng)度時(shí),，就可能表面形成磨削裂紋。

齒軸表面磁粉積聚原因分析及如何預(yù)防,？

預(yù)防該齒軸產(chǎn)生磨削裂紋的措施：

①磨削時(shí),，砂輪不能太硬，在保證工件表面粗糙度的前提下,，應(yīng)盡量選擇大些的砂輪粒度,。

②磨削速度不宜過(guò)快，磨削進(jìn)給量不要過(guò)大,。

③冷卻液要過(guò)濾好,，而且要充分供給，避免工件表面溫度迅速升高,。

④在磨削時(shí)如發(fā)現(xiàn)磨削裂紋,，可考慮增加一次補(bǔ)充回火或拋丸，可有效地減少齒軸的開裂傾向,，從而對(duì)同批工件進(jìn)行挽救,。

文中軸身短條狀磁痕是由發(fā)紋引起的，發(fā)紋的危害不容忽視,，它會(huì)造成應(yīng)力集中,，影響齒輪的疲勞壽命。材料發(fā)紋的產(chǎn)生是由于在鋼的加工變形過(guò)程中,，鋼中夾雜物,、疏松或氣泡等沿著鍛軋方向被擠壓延伸所致，它是一種宏觀缺陷，屬于裂紋類缺陷中的線狀缺陷,。

本文齒軸軸身發(fā)紋處表層金相組織為馬氏體,，表面硬度正常，軸身表面及近表層無(wú)夾渣,、疏松等缺陷,，但多處存在硫化物夾雜，可知軸身發(fā)紋主要是由硫化物夾雜引起的,。同時(shí)由于軸身存在偏析現(xiàn)象,，可知軸身發(fā)紋處的鍛造比不足，沒(méi)有很好的改善材料的原始組織,，也是產(chǎn)生磁粉積聚的原因之一,。由于硫化物夾雜和偏析的存在，改變了軸身基體組織的連續(xù)性,，由于硫化物夾雜和偏析的影響,，使軸身表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸引磁粉堆積形成磁痕,，顯示出發(fā)紋的位置,、形狀和大小。軸身處非金屬夾雜物評(píng)定為A1.5,、D0.5,，而A類夾雜主要是硫化物，這與觀察到的硫化物夾雜相吻合,。

為避免該齒軸軸身出現(xiàn)磁粉積聚現(xiàn)象,，可采取以下措施：

其一，對(duì)原材料夾雜物和偏析進(jìn)行嚴(yán)格控制,，例如如,，采購(gòu)原材料時(shí)對(duì)夾雜物級(jí)別（包括數(shù)量、長(zhǎng)度,、寬度等）進(jìn)行嚴(yán)格控制,。

其二，適當(dāng)增加齒軸軸身的粗加工量,，車削時(shí)能盡量把帶有發(fā)紋的表層去掉,，減少材料發(fā)紋的影響。

其三,，在鍛造齒軸時(shí)要求鍛造供應(yīng)商提高齒軸的鍛造終鍛溫度,，同時(shí)增加齒軸軸身的鍛造比，例如,，對(duì)軸身鍛造時(shí)可以采用兩鐓兩拔以上,。

4.結(jié)論和預(yù)防措施

基于以上分析,，得到以下結(jié)論和建議：

（1）齒軸的T形花鍵處存在龜裂狀裂紋，主要是由于磨削不當(dāng)造成的,；而軸身的短條狀磁痕主要是由硫化物夾雜引起的,。

（2）消除齒軸花鍵處磨削裂紋可通過(guò)選用合適的砂輪、冷卻液,、磨削參數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）消除齒軸軸身處磁痕積聚可通過(guò)控制原材料非金屬夾雜,、提高鍛造比,、加大軸身粗加工量等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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