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齿轴表面磁粉积聚原因分析及如何预防?

更新时间:2017-06-12      点击次数:1789

齿轴表面磁粉积聚原因分析及如何预防?

齿轮轴是一种重要的传动件,在其生产工序的末端,需要进行磁粉探伤检查,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→超声波探伤→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→磁粉探伤,磁探时发现11件产品轴身表面出现磁粉积聚现象,其中送检的齿轴T型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)磁粉探伤检查

齿轴宏观形貌如图1所示,轴长约为30cm,轴身直径约为6cm;磁粉探伤结果如图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。

 

(2)化学成分检查

在齿轴心部取样进行化学成分分析,结果见表1,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。

表1   齿轴化学成分(质量分数)检测结果  (%)

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

齿轴

0.23

0.33

1.18

0.015

0.001

1.39

0.27

(3)金相检查

在T形花键磁痕处取样,制样抛光后观察横截面,横截面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,表面及近表层无夹渣、疏松等缺陷,但表层和近表层多处存在硫化物夹杂,因此,在磁粉探伤时,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。

 

齿轴表面磁粉积聚原因分析及如何预防?

 

(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,但利用磁粉探伤则很容易探出。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。

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、残余奥氏体时,或者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,而工件表面受到冷却液喷淋而收缩,但工件内层因温度升高发生膨胀,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,就可能表面形成磨削裂纹。

齿轴表面磁粉积聚原因分析及如何预防?

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冷却液要过滤好,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。

 

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,它会造成应力集中,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,它是一种宏观缺陷,属于裂纹类缺陷中的线状缺陷。

 

本文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,没有很好的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。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,在锻造齿轴时要求锻造供应商提高齿轴的锻造终锻温度,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。

 

4.结论和预防措施

 

基于以上分析,得到以下结论和建议:

(1)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硫化物夹杂引起的。

 

(2)消除齿轴花键处磨削裂纹可通过选用合适的砂轮、冷却液、磨削参数等来实现。

 

(3)消除齿轴轴身处磁痕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。

 

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