球墨铸铁曲轴感应淬火后磨削裂纹问题

球墨铸铁曲轴感应淬火后磨削裂纹问题

作者：李永真、崔文庆、赵向方

单位：滨州海得曲轴有限责任公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

我公司生产的QT800-5某型号四缸曲轴，经轴颈感应淬火+回火+精磨后，在光滑的轴颈表面上产生了微裂纹，有的呈带状分布，深度较浅，且基本一致，形态上辨别为龟裂或网状，如图1所示，也有单条直线裂纹（或多条平行的点条裂纹），如图2所示。磨削裂纹的产生严重影响了曲轴的使用性能，导致曲轴断裂破坏，只能报废处理，给公司经营造成了一定的损失。

1.磨削裂纹的产生分析

由于磨削时零件表面的温度可能高达820～840℃或更高，所以磨削裂纹的产生通常是由磨削热引起。一方面，淬火时产生的残余奥氏体，在磨削时受磨削热影响即发生分解，逐渐转变为马氏体，这种新生的马氏体集中于表面，引起零件局部体积膨胀，加大了零件表面应力，导致磨削应力集中，继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生。另一方面，如果在磨削时冷却不充分，磨削而产生的热量足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火成为淬火马氏体。因而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超过材料的强度极限时，被磨削的表面就会出现磨削裂纹。

2.磨削裂纹特征

（1）磨削裂纹与一般淬火裂纹明显不同，磨削裂纹只发生在磨削面上，深度较浅，且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向的平行线，且是规则排列的条状裂纹。较严重的裂纹呈龟裂状(封闭网络状)，其深度大致为0.03～0.5mm，如用酸腐蚀，裂纹明显易见。

（2）磨削裂纹在显微镜下观察，主要表现为穿晶而过，但也有沿着晶界延展的。

磨削裂纹，也可说是由表面二次淬火形成。 如果磨削过于剧烈，零件表面瞬时温度极高，致使工件表面在很薄区域内重新奥氏体化，再由于随后的快速冷却，则造成该表层重新淬火，通常称为二次淬火。该薄层的组织为淬火马氏体＋残余奥氏体，酸浸蚀后呈白色，在白色的淬火层下面是黑色的回火屈氏体组织，所以这种零件的显微组织由外及里为淬火马氏体＋残余奥氏体→淬火马氏体＋回火屈氏体→回火屈氏体＋回火马氏体→回火马氏体（正常组织）。

3.样件分析

该曲轴的加工路线：铸造→正火→机加工→感应淬火→去应力回火→探伤→磨削。由表面至心部基体组织应为：淬硬层是回火马氏体，心部为珠光体。

感应淬火及时回火，经探伤合格后，才转至磨削工序，那么裂纹就是在该工序产生，及磨削裂纹，而非淬火裂纹。

体积变化，热处理前后各种组织不同是引起体积变化的主要原因，马氏体-珠光体-奥氏体的比体积依次减小。马氏体的膨胀率随着基体中含碳量的增加而增大。

图3是解剖图1所示有裂纹的曲轴样件，沿轴颈径向取样，低倍下观察轴颈表面的裂纹形貌，一些区域裂纹出现分岔，但石墨分布均匀，没有异常的片状、蠕虫状石墨。裂纹深0.50mm，呈倒T形分布，两侧边分布宽2.9mm。

在用3%硝酸酒精腐蚀后，裂纹处出现了白亮色的异常斑块，如图4所示。

在高倍下斑块区域为淬火马氏体，如图5所示。

淬火马氏体层深0.15mm，而其他区域的淬火层组织为回火马氏体。淬层深2.1mm，淬层硬度为48HRC，轴颈基体珠光体96%，如图6所示。

正常情况下，轴颈表面淬硬层的组织应为单一的回火马氏体组织，轴颈表面出现的淬火马氏体组织应当是在磨削时形成，而且只能是磨削时形成这样的斑块的轮廓。由于磨削时操作不当，在磨削处产生了很高的温度，使得这些区域的组织奥氏体化，经磨削液的冷却作用转变为淬火马氏体。由于表面的组织温度很高，在表层相变区域内的出现了相变应力及热应力，但次表层的组织没有产生转变，对表层相变区的热膨胀和冷却收缩起到阻碍的作用，使得在表层相变区形成裂纹。

4.磨削工序采取以下措施

磨削裂纹的产生是一失效形式，是由磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。

（1）控制原始应力，淬火应力的存在应是造成磨削裂纹的原因之一。从以上分析知道，产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力，即淬火后应马上进行充分回火处理，我们采取370℃保温2小时回火处理，以消除淬火形成的残余应力，硬度保持在HRC46-52，易磨削，效果好。

（2）选择合适磨削方式，在精磨之前加半精磨工序。在淬火后，径向还有0.5mm的加工余量，半精磨选用粒度较粗的软砂轮磨削，便于强力磨削，提高效率，然后再用粒度细的砂轮进行快速精磨，减少背吃刀量，也避免烧伤。这是一较理想的方法。

（3）及时修整砂轮，恢复其磨削能力。用于半精磨、精磨的砂轮，磨几条轴后，其磨削力就减弱，如不修整，只能靠延时来达到所需的加工尺寸，这样极容易产生烧伤、裂纹。那么，定时的修整砂轮，保持其良好的性能，是简单易行且行之有效的措施。

（4）选择合适的磨削量，也可以降低磨削热的产生。磨削产生的热量与砂轮单位时间内切除的金属量大致成正比，因此适当减小磨削深度、降低进给量，可以减少磨削裂纹产生。有的员工为了提高产能、突击任务，增大磨削量，以提高磨削速度，结果也增大了磨削热，便产生磨削裂纹。应严格控制磨削进给量。

（5）整个磨削过程，采用湿磨，且增大切屑液的浓度，不仅给砂轮和工件以冷却，给磨削以润滑，也给砂轮以冲洗。这也是降低磨削热的途径。

铁型覆砂四工位曲轴生产线