中频淬火凸轮轴磨削裂纹产生原因及对策

中频淬火凸轮轴磨削裂纹产生原因及对策 林柏春 魏国芳 【摘要】 对球墨铸铁中频淬火凸轮轴磨削裂纹产生的原因进行了分析。认为磨削工艺不当，产生了过高的磨削热，使凸轮浅 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层组织回火过度，硬度大幅下降，从而产生极大的拉应力是磨削裂纹产生的主要原因。采取对策后取得了较满意的效果。 关键词:凸轮轴 磨削热 回火过度 残余应力 磨削裂纹 Cause of Grinding Cracks on Medium Frequency Induction Hardened Cam Shaft and Countermeasure Lin Baichum，Wei Guofang (Changzhou Diesel Co(，Ltd(，Changzhou 213002) 【Abstract】 The cause of the grinding crack on medium frequency induction hardened cam shaft made of spheroidal cast iron was analyzed(It was found that the grinding process was unsuitable，thus too much grinding heat was produced and near surface zone of the cam shaft was overtempered，which resulted in very high residual tensile stress and drop in hardness in this zone(Those are the main causes of the grindi gcracks(Proper countermeasures were adopted and quite satisfying effects were obtained( Key words:cam shaft，grinding heat，overtempering，residual stress，grinding cracks 1 前言 我厂S195柴油机凸轮轴 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 为QT600-3(稀土-镁球墨铸铁)，热处理技术要求:正火后珠光体量?75%，碳化物，磷共晶总量,5%，凸轮表面中频淬火后硬度达到45,50HRC，淬硬层深度1.5,4.5mm，淬硬层表面组织3,6级。凸轮轴磨削后磁粉探伤时发现有磨削裂纹，废品率有时高达20%，为此我们对磨削开裂的凸轮轴进行了金相、表层显微硬度梯度、残余应力等试验，揭示了磨削裂纹产生的原因，采取了相应的对策，并取得了较满意的效果。 2 磨削裂纹的宏观形态 凸轮磨削表面呈微黄色，有少量烧伤焦斑，裂纹宏观形态见图1。裂纹多数呈条状，单条或多条平行于磨削方向，周向分布在凸轮基圆及两侧表面，裂纹长度5,40mm，长短不一，间断或连续，严重时贯穿整个凸轮表面，少数呈放射状 和龟裂状。 图1 凸轮轴裂纹宏观形态 3 试验内容及 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 3(1 金相分析 将开裂的凸轮轴按图2所示切开，去除线切割的热影响层，制成1号样，进行裂纹金相分析，其淬硬层组织见图3，心部组织见图4，裂纹形貌见图5。对同工艺中频淬火未回火的凸轮轴，按图2所示制成2号样，进行淬硬层表面金相组织级别评定，其淬硬层表面金相组织见图6。 图3 1号样中频淬火硬化层图2 凸轮轴试组织 ×100 淬硬层深图4 1号样凸轮心部组织 ×500 块 3.7mm 图5 1号样凸轮磨削裂纹形貌 ×100 3(2 磨削开裂凸轮表面层显微硬度梯度试验 对1号金相试样表层进行显微硬度梯度试验，硬度点的位置避开石墨在基体上进行，结果见表1。 表1 1号样淬硬层表层显微硬度梯度 距表 面距0.00.00.00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.70.8离,3 6 9 2 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 0 mm 基体 硬度473 490 490 528 548 584 603 603 598 617 617 593 617 617 617 617 HV0. 2 宏观41.42.44.44.45.48.48.48.48.49.49.48.49.49.49.49.硬度2 7 7 7 7 2 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 HRC 注:宏观硬度值是依据基体硬度考虑石墨因素用试验对照方法得出的， 试验方法略。 3(3 凸轮表层残余应力试验 我厂凸轮轴磨削工艺是采取砂轮纵向进给一次完成的，先大进给量粗磨，后转入小进给量精磨，最后转入无进给量的光磨。为了揭示磨削前后及磨削过程中的粗、精、光磨阶段凸轮表层残余应力的变化规律及与磨削裂纹的关系，取3支同批淬火的凸轮轴，其中3号轴不经磨削，4号、5号凸轮轴在生产现场同一台磨床上，由同一操作者按现场工艺磨削，4号轴粗磨一半余量时快速退出砂轮，5号轴经粗精光磨磨削终止。3支残余应力试验的凸轮轴其编号及状态见表2。对上述3支凸轮轴，在同一凸轮的基圆同一位置，进行电解腐蚀剥离，在MSF-2M型X射线残余应力测试仪上，测量轴向(垂直于裂纹方向)的残余应力分布，结果见表3。 图6 2号样淬硬层表面金相组织(级别4级) ×500 表2 3支残余应力试验的凸轮轴编号及状态 编号 状 态 凸轮表面色泽 3 回火未磨削 黑色 4 粗磨一半余量，快速退出砂轮 黑褐色 5 至磨削终止 微黄 注:3个凸轮轴都采用中频淬火，380?×3h回火工艺 4 结果分析 (1) 图6所示2号试样淬硬层表面金相组织为针状马氏体，少量点状残留奥化体，石墨，不过热，属正常淬火组织。经380?×3h回火后，淬硬层组织为回火屈氏体(见图3)，从显微组织上无法分辨出磨削烧伤引起的表面回火层。裂纹深度为0.70mm，开口较宽，头部尖细，由表面垂直向心部扩展(见图5)。图4心部组织为珠光体，少量半牛眼状铁素体，晶界微量点状二次渗碳体，可见正火温度偏高，过高的温度正火，不仅晶界析出二次渗碳体，而且由于奥氏体含碳量高，正火后珠光体碳含量也高，感应快速加热时珠光体快速奥氏体化，其碳含量势必保留了原珠光体的高含碳量，淬火后得到高碳马氏体，这种组织产生磨削裂纹的敏感性较大，晶界二次渗碳体还可能成为磨削裂纹的扩展通道。 表3 3支凸轮轴轴向残余应力分布 3号轴 4号轴 5号轴 距表面距 残余应力 距表面距 残余应力 距表面距 残余应力 离,mm ,MPa 离,mm ,MPa 离,mm ,MPa 0 ,544 0 ,92 0 768 0(05 ,361 0(10 ,88 0(05 771 0(09 103 0(32 ,80 0(28 285 0(18 376 0(40 ,83 0(51 103 0(27 211 0(80 ,80 0(80 5 0(41 128 (2) 从显微硬度梯度试验结果(表1)可看出浅表层0.20mm范围内硬度有明显下降，表面硬度比原硬化层硬度下降约20%。说明磨削时凸轮表面严重发热，对凸轮浅表层有深度回火作用。这是因为磨削时产生大量的磨削热，少部分被冷却液带走，大部分瞬间集中在工件浅表层，以极快的速度将浅表层加热到一定温度，并形成浅表层极大的温度梯度，当温度超过工件原回火温度，引起浅表层组织更深度的回火，使硬度下降，浅表层的硬度梯度即反映了磨削热深入浅表层形成的温度梯度。表1所示距表面0.03mm处宏观洛氏硬度已从磨削前的49.4HRC下降到41.2HRC，大大低于45,50HRC的技术要求。应该指出的是浅表层的硬度降低在宏观硬度检查中往往不易发现，这是因为深度回火层较浅，仅0.2,0.3mm，通常只降低2,3HRC，这类凸轮轴极易漏检，投入使用，必然出现早期磨损。 (3) 表3中未经磨削的3号轴，距表面0.80mm处残余应力为,92,,80MPa，均为压应力，应力梯度平缓，曲线几乎平行于水平坐标轴，可以推断在整个淬硬层深3.7mm范围，残余压应力将逐渐过度到零，符合表面感应淬火淬硬层的应力分布。 (4) 表3中经粗磨的4号轴，表面拉应力最高达，771MPa，向心部不断降低，距表面0.8mm处拉应力接近零，这是因为粗磨时磨削进给量大，磨削热也大，引起浅表层组织深度回火，使该层组织进一步转变，金属比容减小，体积收缩，产生拉应力。与此同时，被磨削热加热的浅表层，在冷却液的作用下，快速冷却，也使该层组织收缩，产生拉应力，前者为组织应力，后者为热应力，两者叠加，使浅表层产生极大的拉应力，当拉应力超过材料的脆断强度时，则形成磨削裂纹。 (5) 表3中经粗—精—光磨的5号轴，表面至0.08mm处全部受压应力，表面压应力最大，为,544MPa。距表面0.18mm处出现峰值拉应力为，376MPa。从表面至0.08mm范围出现压应力是因为进入小火花、无火花的精光磨阶段，砂轮对凸轮表面的挤压作用所引起的，我们可把5号轴看作经粗磨的4号轴再经精光磨，既5号曲线是在4号曲线的浅表层叠加一个挤压力形成压应力的结果。 (6) 磨削裂纹是在粗磨阶段形成的。在整个磨削过程中，随着进给量等因素的变化，凸轮浅表层的应力在不断变化。磨削开始时当砂轮一接触到凸轮表面，磨削热便产生并开始传入浅表层，此时温度不高，尚不能引起深度回火，浅表层的应力也较小(尚有砂轮对凸轮表面机械作用造成的应力)，随着粗磨阶段砂轮的不断进给，磨削热在浅表层不断积累，温度不断升高，直至粗磨阶段终止时，浅表层温度达到最高值，这时磨削热的深度回火作用最大，浅表层拉应力达到最高值。转入精光磨阶段后，由于进给量明显减小，磨削热及浅表层温度也大为降低(表2中5号轴表面呈微黄色而4号轴呈黑褐色说明了这一点)，由于砂轮挤压形成压应力和粗磨时形成的拉应力的叠加作用，使最表层的拉应力值降低或叠加成压应力。由此可见，整个磨削过程中，凸轮表面(或浅表层)的应力在粗磨阶段随着磨削进行，拉应力不断上升，到粗磨结束时拉应力达到最大值。进入精光磨后，在砂轮的挤压作用下，表面和浅表层应力不断降低直至转变为压应力，因此磨削裂纹是在粗磨阶段，当拉应力超过材料的脆断强度的某一时刻形成的，而不是精光磨阶段，也不在磨削终止以后。 (7) 由于粗磨中凸轮表面温度最高，表面拉应力最大，因而磨削裂纹是由表面生成向心部扩展，直至一定深度时拉应力明显降低，扩展即行停止。图5磨削裂纹形貌表面开口较宽、头部尖细，充分展示了这一特点，是典型的磨削裂纹。 5 对策及效果 (1) 调整磨削工艺参数，重点减小粗磨进给量，同时疏通冷却液管道，增大冷却强度，调整喷液位置，增强冷却效果，严格执行砂轮修正周期，严格前道工序尺寸控制，防止磨削余量失控，从而降低磨削热的不良影响。工艺参数的调整以凸轮浅表层磨削后不深度回火、硬度不 降低为 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 。 (2) 降低正火温度，降低奥氏体碳含量，防止二次渗碳体析出，以降低材料的磨削裂纹敏感性。 (3) 适当提高中频淬火后的回火温度，将硬度控制在技术要求的中下限，提高材料抗深度回火的能力。 实施上述对策后，磨削开裂明显下降，取得满意效果。 作者简介:林柏春:男，高级工程师，长期从事热处理工艺的研究及改进，已发表论文6篇。收稿日期:1998年8月24日 作者单位:常州柴油机股份有限公司(常州213002) 参考文献 1 孙玉盛.热处理裂纹分析.理化检验(物理分册)，1991，27(6):57,63