1、引言

　　磨削加工廣泛應用在機械加工中，但淬火后的工件，特別是高碳鋼、工具鋼及滲碳淬火件，往往在與磨削方向垂直或接近垂直的方向出現(xiàn)磨削裂紋，有的呈龜裂狀(網(wǎng)狀裂紋)，嚴重影響其加工質(zhì)量。用酸腐蝕，裂紋明顯易見。本文通過對塞規(guī)、塊規(guī)等量具進行試驗并展開分析，找到了磨削裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了防止方法，為高碳鋼、工具鋼及滲碳后的淬火件磨削提供了技術支撐。

　　2、對螺紋塞規(guī)裂紋的分析

　　2.1 裂紋情況及其受熱處理、磨削規(guī)范的影響

　　選用材料CrMn或T10A等工具鋼，加工工藝為鍛造→退火→冷加工→淬火→磨削。加工完成后，在塞規(guī)上發(fā)現(xiàn)裂紋，有時廢品率很高，且直徑越大越易產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋平行地出現(xiàn)在塞規(guī)的工作面上并與磨削方向垂直，裂紋很深，在個別塞規(guī)上，裂紋甚至深達5mm。剖視金相，發(fā)現(xiàn)裂紋表面干凈清潔，且并未氧化。

　　(1)金屬原材料對裂紋產(chǎn)生的影響

　　塞規(guī)在正常溫度下淬火。研究裂紋處金相組織，證明在金屬原材料中并無缺陷，即無碳化物偏析或其他分布不均勻的化合物。在具有正常金相組織的塞規(guī)中也產(chǎn)生裂紋，如在隱蔽的馬氏體組織及均勻碳化物組織的塞規(guī)中產(chǎn)生了裂紋。

　　在個別情況下，塞規(guī)具有粗針狀馬氏體組織，證明塞規(guī)在淬火時發(fā)生了過熱現(xiàn)象。

　　產(chǎn)生裂紋的塞規(guī)大部分是由毛坯經(jīng)鍛造再退火制成，由于工藝參數(shù)及終鍛時間的差異，珠光體顆粒大小也不同，有些地方還可以看到碳化物網(wǎng)絡。

　　有時在存在裂紋的塞規(guī)斷面中心看到奧氏體和托氏體組織，說明冷卻并不十分激烈，同時在馬氏體轉變時產(chǎn)生的應力還不足以加深裂紋。

　　退火后絕大部分毛坯具有粒狀珠光體基體，也有具有索氏體類型的珠光體及較分散的碳化物網(wǎng)絡(有的比鍛后更深)。

　　對原材料進行車削制作塞規(guī)，分析可知原材料中沒有較多的金相夾雜物，其金相組織為粗粒珠光體及微量的擴散珠光體。

　　(2)熱處理及磨削規(guī)范的影響

　　塞規(guī)在加工時采用各種不同的熱處理規(guī)程與磨削規(guī)范(見表1、表2)。

　　表1 塞規(guī)熱處理規(guī)程

　　表2 磨削規(guī)范

　　由表1可知過熱后淬火的塞規(guī)具有粗針狀馬氏體，在采用1類規(guī)范的進刀量磨削時未發(fā)現(xiàn)大量裂紋。

　　在正常淬硬的具有無方向性細馬氏體組織塞規(guī)上，經(jīng)840℃一860℃淬火，150℃回火，回火時間為3h，硬度為63—64HRC，按1類規(guī)范進行磨削，發(fā)現(xiàn)66%產(chǎn)生裂紋，按3類規(guī)范磨削幾乎全部產(chǎn)生裂紋，按2類規(guī)范磨削時由于散熱效果較好，雖然去除鐵屑的速率較大但不易產(chǎn)生裂紋。

　　在經(jīng)過840℃一860℃淬火，200℃回火，回火時間為3h的塞規(guī)上，即使采用較大的磨削規(guī)范(0.85mm進刀、2m周速)進行磨削，也很少發(fā)現(xiàn)有裂紋。

　　在一批采用正常熱處理規(guī)范的塞規(guī)上，采用2類規(guī)范加大速度進行磨削，只在其中一個塞規(guī)上出現(xiàn)裂紋，硬度高達63~64HRC。以上情況說明磨削裂紋產(chǎn)生的原因并非鍛造和所使用的磨削規(guī)范，而在于其它原因。

　　(3)回火的影響

　　為了檢查回火質(zhì)量，把幾個塞規(guī)對半剖開，一半連續(xù)多次經(jīng)150℃回火，此后，二半疊起進行磨削螺紋，磨后再用4%HNO3酒精溶液腐蝕。兩半試樣結果相同，說明回火可以消除淬火內(nèi)應力。因為經(jīng)二次回火后塞規(guī)顏色若變深，則說明塞規(guī)中有馬氏體存在(回火后的馬氏體更易腐蝕)。試驗發(fā)現(xiàn)：有裂紋的塞規(guī)再經(jīng)二次高溫(200~220℃)回火，裂紋均有所改善，但硬度會降低2~3HRC，證明提高回火溫度可以消除淬火過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力，大大降低塞規(guī)廢品率。

　　淬火件的馬氏體組織是一種膨脹狀態(tài)，有應力存在，容易產(chǎn)生磨削裂紋。為減少和消除這種應力，在淬火后應馬上進行回火處理。一般情況下使工件在150~200℃左右回火來消除磨削裂紋;如經(jīng)過一次回火后仍產(chǎn)生磨削裂紋，可采用二次回火或人工時效;如允許稍降低工件硬度，可將工件在300℃左右回火，回火時間4h以上來防止龜裂;如工件硬度要求不高，而零件表面要求較高時，可進行調(diào)質(zhì)處理(將回火溫度提高到400℃以上回火)來消除磨削裂紋。

　　2.2 磨削后裂紋產(chǎn)生處的金相組織分析

　　檢查螺紋塞規(guī)表面金相組織：兩個在磨前表面硬度均為55~57HRC的塞規(guī)，磨后螺紋硬度分別為45HRC和51HRC。針對不同硬度選用不同的砂輪進行磨削，前者采用膠木粉黏結的砂輪，后者采用粒度為230的石英砂黏結的砂輪。當磨削深度為0.85mm時工件硬度均降低且未發(fā)現(xiàn)裂紋。與此同時，發(fā)現(xiàn)在同一塞規(guī)上硬度不均勻，有的地方硬度為40—48HRC，有的地方硬度為49—57HRC，說明磨削時砂輪、工件、刀具等各處溫度不同。若提高磨削速度可減少裂紋的產(chǎn)生，這是因為高速磨削可縮短砂輪與工件表面的連續(xù)接觸時間，減少工件被磨部位瞬時產(chǎn)生的磨削熱，降低表面溫升。在分析產(chǎn)生裂紋的原因時，不能只專注于熱處理及磨削工藝上，還應該注意到磨螺紋時產(chǎn)生熱與熱傳導的過程。在磨削過程中，如果磨削規(guī)范提高則散熱措施及冷卻液的需要更為迫切，必須防止產(chǎn)生過大的磨削熱。工件被磨削部位若沒有良好的冷卻會產(chǎn)生瞬時高溫，特別是在磨削平面或內(nèi)孔時更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。溫升過速，馬氏體分解過快，體積驟然收縮，形成大的張應力而產(chǎn)生磨削裂紋。冷卻液的冷卻能力與其導熱性及熱容量有關，水是熱容量和傳熱性最好的液體。為了降低零件溫度及防當塞規(guī)冷卻到馬氏體形成溫度時，自油中取出放置在空氣中冷卻，經(jīng)驗證明這樣可以減少殘余奧氏體量(如果是某碳鋼或低合金鋼，自油中取出最好放入水中)。

　　把塞規(guī)在熱油中保持一定時間后再放入冷水中，不會降低殘余奧氏體量。磨削時在表面層產(chǎn)生的組織變化，不是由于生成新的奧氏體(這些奧氏體后來轉變?yōu)轳R氏體)，而是由于熱處理時產(chǎn)生的殘余奧氏體的轉變。當殘余奧氏體在受熱后轉變?yōu)轳R氏體時塞規(guī)體積顯著增大，會引起很大應力，在磨削時會造成磨削裂紋。為了防止產(chǎn)生此磨削裂紋，必須全部消除殘余奧氏體，即是把回火溫度提高到220—230℃(如果允許降低硬度到57HRC);不允許降低硬度的情況下可采用冰冷處理(-70℃以下)。

　　3、對塊規(guī)裂紋的分析

　　3.1裂紋情況及其受熱處理、磨削規(guī)范的影響

　　塊規(guī)材料選用CrMn或T10A等工具鋼，經(jīng)鍛造→退火→冷加工→淬火→磨削后，工件表面上出現(xiàn)非氧化性裂紋。2.5—10mm塊規(guī)經(jīng)常因出現(xiàn)裂紋而產(chǎn)生大量廢品，廢品率達60%—70%，有時甚至整批報廢。少數(shù)塊規(guī)回火不夠時發(fā)現(xiàn)碳化物分布不均勻，一些組織良好的塊規(guī)也有開裂現(xiàn)象。在1.7—10mm的塊規(guī)上采用了如下的熱處理工藝：預熱到550—600℃保溫3min;加熱到840—860℃保溫25—30min后淬火;在40—60℃油中放置5—40min;在空氣中冷卻至室溫;冷卻到~50℃或~7O℃，保持30—35min。在此溫度下繼續(xù)保持3h，淬火后冷處理前停放的時間為1—3h;自冷處理設備中取出放置于空氣中;在130—140℃，回火10h。

　　試驗證明，在較高的恒溫回火時硬度僅為62HRC，為了保持高硬度采用了長時間的低溫回火(即130—140℃，回火10h)。塊規(guī)的預熱在300×300小電爐中進行，每爐放人250—300塊。

　　3.2磨削后裂紋產(chǎn)生處的金相組織分析

　　裂開塊規(guī)的金相組織呈現(xiàn)無方向的馬氏體及均勻分布的碳化物，沒有過熱痕跡，在裂紋處硬度較低，并無退火象征，在磨削時殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏

　　體而產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過冰冷處理的塊規(guī)中很少有殘余奧氏體而產(chǎn)生裂紋。

　　采用相同加工工藝，不同加工余量，厚10mm以下的塊規(guī)，兩面放磨量為0.25—0.35mm，而厚20mm以上塊規(guī)兩面放磨量為0.7—1.0mm。結果發(fā)現(xiàn)：只有厚度為2—10mm中等尺寸的塊規(guī)上出現(xiàn)磨削裂紋，在相同材料尺寸大于10mm的塊規(guī)以及鋼皮制成的小于2mm的塊規(guī)上并未發(fā)現(xiàn)磨削裂紋。原因是塊規(guī)本身形狀很簡單，由于本身形狀而引起相當大應力的理由不能成立。經(jīng)多次改變磨削規(guī)范和更換砂輪，也沒有改善裂紋，即用改變磨削工藝的方法改善裂紋也是不可能的。

　　采用5%HN03水溶液腐蝕30—40s后，浸入蘇打水再用水沖洗，最后在12%HCL水溶液腐蝕30s后再用水沖洗，在塊規(guī)上出現(xiàn)明顯的過熱的蹤影;熱處理后磨削前的塊規(guī)用50%鹽酸水溶液中煮，發(fā)現(xiàn)其測量面的側面上有裂紋。鋼制零件淬火時，其各個部位奧氏體分解不是在同一時間進行，使每堆奧氏體間產(chǎn)生組織轉變的應力。如果塊規(guī)表面存在脫碳層，那么在邊緣的奧氏體轉變溫度較中心更高，即奧氏體轉變首先從塊規(guī)邊緣開始，奧氏體轉變速度不同會導致塊規(guī)表面層產(chǎn)生組織應力而出現(xiàn)裂紋。由于塊規(guī)表面幾何形狀單純，淬火時奧氏體轉變成馬氏體應力還不足以產(chǎn)生裂紋，但若是提高磨削用量會產(chǎn)生磨削應力從而引起裂紋。塊規(guī)中如果存在脫碳層，淬火過程中就會開裂，不會等到磨削時才產(chǎn)生。也可以在淬火后用檢查其表面硬度的方法來證實有無脫碳層。結果發(fā)現(xiàn)：有些塊規(guī)僅僅磨去0.05mm就達到正常硬度HRC62，而有些塊規(guī)要磨去0.16mm才能達到正常硬度62HRC。表面脫碳層達到0.20mm是磨不掉的，因為放磨不多且是在兩面磨削，其最小加工余量一般為0.03—0.08mm。最后證實在測量表面有時出現(xiàn)灰斑點的脫碳層(硬度低于62HRC)。

　　3.3 減少裂紋的工藝

　　為了消除磨削裂紋，改變加熱介質(zhì)來防止脫碳，即將電氣爐淬火改用鹽溶爐，其熱處理過程保持不變，發(fā)現(xiàn)塊規(guī)表面裂紋可全部消除。

　　4、零件材質(zhì)

　　基于以上分析，馬氏體的膨脹收縮率隨著鋼中含碳量的增加而增大，故碳素工具鋼(以上)和滲碳淬火鋼產(chǎn)生磨削裂紋尤為嚴重。當零件硬度和表面外觀質(zhì)量均要求較高時，便不能選用碳素工具鋼和滲碳淬火鋼。對于零件表面外觀質(zhì)量要求較高，或零件是急件而不能經(jīng)過1—2個月自然時效的，使用砂輪受到限制;磨床數(shù)量少而粗精磨在同一臺機床上加工，不能采用干磨法(污染嚴重)時，就只能在零件材質(zhì)上考慮，可選用含碳量低的1Crl3、40Cr等鋼種。

　　5、磨削裂紋防止方法

　　(1)加工工序為：退火→冷加工→淬火→粗磨→定性→冷凍→精磨→研磨;

　　(2)提高回火溫度，重新回火，精加工時嚴格控制殘余奧氏體數(shù)量，防止網(wǎng)狀碳化物產(chǎn)生;

　　(3)改善冷卻條件，降低砂輪硬度，降低磨削進給量，降低磨削線速度及提高工件轉速等;

　　(4)降低硬度的最高限值或更換零件材料。