齿轴表面磁粉积聚原因分析及预防

GXF360 2017-08-24

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齿轴表面磁粉积聚原因分析及预防

■陈亮，吴刚，谭小明，吴国庆，李平平

摘要：采用化学成分分析、显微维氏硬度测试、金相显微镜等方法对齿轴花键处及轴身磁粉积聚现象进行了分析。主要原因和预防措施如下：齿轴的T形花键处存在龟裂状裂纹，主要是由于磨削不当造成的；而轴身的短条状磁痕主要是由于硫化物夹杂引起的；消除齿轴花键处磨削裂纹可通过选用合适的砂轮、切削液、磨削参数等来实现；消除齿轴轴身处磁粉积聚可通过控制原材料非金属夹杂、提高锻造比、加大轴身粗加工量等措施来实现；在该齿轴上运用这些预防措施已经取得了很好的应用效果。

关键词：齿轴；磁粉积聚；原因分析；预防措施

齿轮轴是一种重要的传动件，在其生产工序的末端，需要进行磁粉检测，主要是用来检查齿轴表面是否有裂纹。某单位生产的齿轴，材料为20CrMnMo，加工工艺为：齿坯锻造→粗车→超声波检测→等温正火→半精车→滚花键→渗碳淬火→精车→磨外圆→磨花键→打标记→磁粉检测，磁粉检测时发现11件产品轴身表面出现磁粉积聚现象，其中送检的齿轴T形花键处也有龟裂状磁痕，因此对该齿轴磁粉积聚现象进行原因分析。

1. 检测方法

首先对齿轴进行宏观形貌分析，对齿轴的磁痕部位进行线切割取样，经打磨、抛光等金相制样后，用显微硬度计对渗层进行硬化层深度检测，在金相显微镜上检查其金相组织、非金属夹杂物等。然后在齿轴心部取样，在电感耦合等离子体发射光谱仪上进行化学成分分析。

2. 试样检测

（1）磁粉检测齿轴宏观形貌如图1所示，轴长约为300mm，轴身直径约为60mm；磁粉检测结果如图2所示：图2a中T形花键表面出现龟裂状磁痕现象，具有磨削裂纹特征；图2b轴身表面出现多条磁痕，磁痕多呈短条状，呈材料发纹类缺陷特征。

图1 齿轴宏观形貌

图2 磁痕积聚形貌

（2）化学成分分析在齿轴心部取样进行化学成分分析，结果见附表，可知各元素含量均满足标准GB/T3077—1999中对20CrMnMo钢成分的合格要求。

（3）金相检验在T形花键磁痕处取样，制样抛光后观察横截面，发现多处存在与磨削表面垂直且向内扩展的细小裂纹，裂纹仅存在于零件浅表层，其扩展深度大致相同，为0.1～0.2mm；裂纹曲折、刚直，局部呈断续状，尾部尖细，如图3所示。此外，裂纹两侧组织均为马氏体，无氧化、脱碳、网状碳化物等热处理缺陷，如图4所示。花键处表面硬度及有效硬化层深等都符合技术要求。

在轴身发纹处取样，其横截面抛光态形貌如图5所示，表面及近表层无夹杂、疏松等缺陷，但表层和近表层多处存在硫化物夹杂。因此，在磁粉检测时，该区域将呈现发纹类缺陷特征，磁粉积聚是由硫化物夹杂所引起的。轴身表层组织为马氏体，存在偏析现象，如图6所示。非金属夹杂物评定为A1.5、D0.5，如图7所示。

3. 齿轴表面磁粉积聚原因分析及预防措施

（1）花键处裂纹原因分析及预防措施通过以上检测结果的特征可知，T形花键表面出现的龟裂状磁痕积聚现象是由磨削裂纹引起的。这种磨削裂纹一般比较细浅，肉眼很难察觉，但利用磁粉检测则很容易探出。磨削裂纹的产生与磨削处工件的形状有一定的关系，磨削处工件的尖角结构有明显的诱裂作用[1]。

齿轴化学成分（质量分数）分析结果（%）

Si Mn P S Cr Mo 0.23 0.33 1.18 0.015 0.001 1.39 0.27 C

图3 花键横截面抛光态形貌（50×）

图4 花键横截面组织（100×）

图5 轴身横截面抛光态形貌（200×）

图6 轴身表面组织

图7 非金属夹杂物（100×）

在本文中由于T形花键处裂纹两侧组织均为马氏体，无氧化、脱碳、网状碳化物等热处理缺陷，花键处表面硬度及有效硬化层深都符合技术要求，由上可知，该齿轴的热处理工艺正常，不是造成磨削烧伤的主要原因。那么可以推知，该花键处的磨削裂纹主要跟磨削不当有关，同时跟花键处T形形状有一定关系。

导致磨削裂纹的原因主要有如下几种：

其一，工件经渗碳淬火后，在金相组织中出现大量的网状碳化物、残留奥氏体时，或由于回火不充分导致齿轴残余应力过大时，在磨削时都容易产生磨削裂纹。

其二，在磨削过程中，会在工件表面产生大量的磨削热，导致工件表面膨胀，同时热量迅速向内部扩散，而工件表面受到切削液喷淋而收缩，但工件内层因温度升高产生膨胀，因此工件表层受到拉应力。另外，工件的外表面受到砂轮的磨削应力，当这两个应力的叠加超过该工件材料的强度时，就可能在表面形成磨削裂纹。

预防该齿轴产生磨削裂纹的措施：①磨削时，砂轮不能太硬，在保证工件表面粗糙度的前提下，应尽量选择大些的砂轮粒度。②磨削速度不宜过快，磨削进给量不要过大。③切削液要过滤好，而且要充分供给，避免工件表面温度迅速升高。④在磨削时如发现磨削裂纹，可考虑增加一次补充回火或抛丸，可有效地减少齿轴的开裂倾向，从而对同批工件进行挽救。

（2）齿轴轴身磁粉积聚原因分析及预防措施文中轴身短条状磁痕是由发纹引起的，发纹的危害不容忽视，其会造成应力集中，影响齿轮的疲劳寿命。材料发纹的产生是由于在钢的加工变形过程中，钢中夹杂物、疏松或气泡等沿着锻轧方向被挤压延伸所致，这是一种宏观缺陷，属于裂纹类缺陷中的线状缺陷[2]。齿轴轴身发纹处表层金相组织为马氏体，表面硬度正常，轴身表面及近表层无夹渣、疏松等缺陷，但多处存在硫化物夹杂，可知轴身发纹主要是由硫化物夹杂引起的。同时由于轴身存在偏析现象，可知轴身发纹处的锻造比不足，没有很好地改善材料的原始组织，也是产生磁粉积聚的原因之一。由于硫化物夹杂和偏析的存在，改变了轴身基体组织的连续性，由于硫化物夹杂和偏析的影响，使轴身表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸引磁粉堆积形成磁痕，显示出发纹的位置、形状和大小[3]。轴身处非金属夹杂物评定为A1.5、D0.5，而A类夹杂主要是硫化物，这与观察到的硫化物夹杂相吻合。

为避免该齿轴轴身出现磁粉积聚现象，可采取以下措施：

其一，对原材料夹杂物和偏析进行严格控制，例如，采购原材料时对夹杂物级别（包括数量、长度、宽度等）进行严格控制。

其二，适当增加齿轴轴身的粗加工量，车削时能尽量把带有发纹的表层去掉，减少材料发纹的影响。

其三，提高齿轴的终锻温度，同时增加齿轴轴身的锻造比，例如，对轴身锻造时可以采用两镦两拔以上。