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某公司生產(chǎn)的材質(zhì)為20CrNi2MoA的太陽輪，在最后一道磨齒工序后發(fā)現(xiàn)數(shù)個齒面上存在裂紋，委托我中心進行原因分析。該齒輪的生產(chǎn)流程：下料→毛坯→鍛造→開齒→滲碳→淬火+回火→噴丸→磨齒。

1.理化檢驗

（1）宏觀分析

出現(xiàn)裂紋的太陽輪見圖1，裂紋出現(xiàn)在左側(cè)的大輪輪齒上，裂紋的形貌見圖2，從圖中可以看出，主裂紋位于齒根處，平行于磨削的方向，其中有多條裂紋在與主裂紋垂直，形成倒“T”字裂紋形貌。

（2）磁彈儀檢測

對太陽輪上存在裂紋的輪齒利用磁探儀進行檢測，檢測結(jié)果見圖3。因檢測探頭為手持移動，為提高檢測的準(zhǔn)確性進行了多次檢測。

從檢測檢結(jié)果可以看出，三條曲線的走向基本一致，出現(xiàn)的鋸齒形波動為齒面存在裂紋的緣故。三次檢測的MP值最高都在470左右，平均值在270左右。通過以往大量的試驗數(shù)據(jù)積累分析，認(rèn)為該種材質(zhì)齒面發(fā)生燒傷的臨界MP值為50，從檢測結(jié)果可知，該齒面的MP值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該臨界值，初步認(rèn)為該齒面發(fā)生了嚴(yán)重的回火燒傷。

（3）化學(xué)成分分析

在輪齒試樣的中心部分取樣進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果及20CrNi2MoA鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分見表1。

表1  輪齒化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

從表1可以看出，該齒輪的化學(xué)成分滿足20CrNi2MoA鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，該齒輪材料化學(xué)成分合格。

（4）金相分析

首先，非金屬夾雜物檢測。在圖2紅色方框處取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后觀察，依照《GB/T10561-2005》A法對試樣進行非金屬夾雜物評級，結(jié)果見表2，夾雜物級別滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2  非金屬夾雜物評級結(jié)果

其次，組織分析。試樣拋光后，在顯微鏡下觀察，裂紋開口端粗大，尾部尖細(xì)，屬于應(yīng)力型裂紋。裂紋源位于齒表面，沿次表面向齒根處擴展，裂紋最深處約1.0mm，如圖4所示。

將試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶腐蝕后，在齒的兩邊節(jié)圓下方都出現(xiàn)呈弧形的黑色區(qū)域，說明齒輪兩側(cè)均發(fā)生了燒傷，只有一側(cè)發(fā)生了開裂，并且有黑色區(qū)域即回火區(qū)被裂紋圍繞，說明裂紋的產(chǎn)生與此區(qū)域的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變存在一定的關(guān)聯(lián)，如圖5所示。在顯微鏡下觀察，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋附近組織為回火托氏體；滲層組織為針狀馬氏體+顆粒狀碳化物+殘留奧氏體，按照技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)《JB/T6141.3-1992重載齒輪金相檢驗》對馬氏體進行評級，針狀馬氏體：5級，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求；未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物等異常組織；齒輪心部組織為貝氏體和針狀鐵素體；見圖6~圖8所示。

（5）顯微硬度檢測

在齒輪試樣的正常區(qū)和燒傷區(qū)分別進行有效硬化層檢測，測試結(jié)果見圖9。從圖9中可以得出，該齒輪的有效硬化層深為2.5mm，滿足技術(shù)要求（1.6~2.5mm）；與正常區(qū)相比，燒傷區(qū)表面硬度偏低，從表層到心部硬度的分布為先升高再降低，該分布形態(tài)主要是因為表面發(fā)生了高溫回火導(dǎo)致表面硬度下降；該檢測結(jié)果也再次證實齒輪表面發(fā)生了回火燒傷。

（6）殘余應(yīng)力檢測

采用Xstress3000X射線應(yīng)力分析儀對齒輪表面燒傷區(qū)域進行殘余應(yīng)力檢測，通過電解拋光的方式進行剝層，從而得出磨削燒傷后齒輪近表層殘余應(yīng)力的分布情況（備注：“+”表示拉應(yīng)力；“-”表示壓應(yīng)力）見圖10。從圖中可以看出燒傷齒輪的近表面分布的均為拉應(yīng)力，且在距齒表面100μm處出現(xiàn)最大值，然后隨著深度的增加應(yīng)力逐漸下降。資料顯示，鋼件滲碳后，表面與心部因含碳量的差別導(dǎo)致的比容變化和馬氏體轉(zhuǎn)變點溫度的差別等原因，會造成鋼件表面分布一定深度的壓應(yīng)力，以提高其疲勞強度。正常情況下，該滲層深度的滲碳齒輪齒表面的應(yīng)力水平一般在-500MPa左右，但該齒輪的檢測結(jié)果表明，由于齒面發(fā)生了回火燒傷，使齒面近表層的原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了不利的轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)。

2.原因分析

通過以上理化檢驗可知，齒輪鋼的化學(xué)成分、夾雜物等材質(zhì)方面均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是齒輪在磨削的過程中發(fā)生了回火燒傷，并由此引發(fā)了裂紋的產(chǎn)生。

磨削燒傷的發(fā)生是由磨削熱造成的，當(dāng)產(chǎn)生的磨削熱量不能被及時帶走，齒面的瞬時溫度超過該齒輪的回火溫度，會導(dǎo)致輪齒表面的硬度下降，形成燒傷。該齒輪磨削采用成型磨的方法，即用CNC將砂輪修整成齒輪齒槽漸開線形狀，磨削工件形成漸開線。該方法的優(yōu)點是砂輪與工件的接觸面大，單位面積承受的力較小，而且均載；同時也有缺點，即成型磨一般都是兩面同時磨削，砂輪與兩個齒面同時接觸，由于齒槽在加工前留有余量和變形所以相對較窄，且磨削時切削量較大，不利于齒面散熱。在磨削過程時，當(dāng)出現(xiàn)切削量過大、冷卻液噴射位置偏差和砂輪修形稍有不當(dāng)，都會造成輪齒表面被瞬時加熱而發(fā)生燒傷。

正常情況下，齒輪在淬火加低溫回火后，其表面正常組織是回火馬氏體和少量殘余奧氏體，當(dāng)齒輪的表面發(fā)生回火后，回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹜惺象w，較原來的回火馬氏體相比，比容會減小，體積會收縮，由于基體的約束，在燒傷區(qū)域以及與正常區(qū)域的過渡區(qū)均會產(chǎn)生拉應(yīng)力；另外該區(qū)域在冷卻液的激冷作用下，也會產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。因此，在磨削過程中，一旦因磨削不當(dāng)齒面過熱而產(chǎn)生此類缺陷，該區(qū)域及周圍的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生反轉(zhuǎn)，再加之高速磨削時的滾壓應(yīng)力，當(dāng)上述各類應(yīng)力的疊加總應(yīng)力超過齒輪材質(zhì)的極限強度時，便導(dǎo)致產(chǎn)生磨削裂紋，并沿著最薄弱區(qū)域延伸。這也是裂紋圍繞著回火燒傷區(qū)域而產(chǎn)生的原因。

3.結(jié)論

齒輪的裂紋是磨削工藝不當(dāng)造成的磨削裂紋。齒輪在磨削過程中，發(fā)生了嚴(yán)重的回火燒傷，造成燒傷區(qū)域及邊緣區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，再加之磨削力的作用影響下產(chǎn)生磨削裂紋。

4.建議

（1）改進對中性，避免第一次磨削量過大造成燒傷，保證機床測量的磨削余量準(zhǔn)確，并給出一定的安全余量。

（2）優(yōu)化磨削參數(shù)，增加砂輪的轉(zhuǎn)速和減小進刀量能大大地降低磨削燒傷的風(fēng)險。

（3）選擇合適的砂輪和修正參數(shù)，并及時修正砂輪。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝，采用多次低溫回火或冷處理能有效降低磨削裂紋的發(fā)生率。