齒軸表面磁粉積聚原因分析及預防

齒輪軸是一種重要的傳動件，在其生產工序的末端，需要進行磁粉探傷檢查，主要是用來檢查齒軸表面是否有裂紋。某單位生產的齒軸，材料為20CrMnMo，加工工藝為：齒坯鍛造→粗車→超聲波探傷→等溫正火→半精車→滾花鍵→滲碳淬火→精車→磨外圓→磨花鍵→打標記→磁粉探傷，磁探時發現11件產品軸身表面出現磁粉積聚現象，其中送檢的齒軸T型花鍵處也有龜裂狀磁痕，因此對該齒軸磁粉積聚現象進行原因分析。

1.檢測方法

首先對齒軸進行宏觀形貌分析，對齒軸的磁痕部位進行線切割取樣，經打磨、拋光等金相制樣后，用顯微硬度計對滲層進行硬化層深度檢測，在金相顯微鏡上檢查其金相組織、非金屬夾雜物等。然后在齒軸心部取樣，在電感耦合等離子體發射光譜儀上進行化學成分分析。

2.試樣檢測

（1）磁粉探傷檢查

齒軸宏觀形貌如圖1所示，軸長約為30cm，軸身直徑約為6cm；磁粉探傷結果如圖2所示：圖2a中T形花鍵表面出現龜裂狀磁痕現象，具有磨削裂紋特征；圖2b軸身表面出現多條磁痕，磁痕多呈短條狀，呈材料發紋類缺陷特征。

（2）化學成分檢查

在齒軸心部取樣進行化學成分分析，結果見表1，可知各元素含量均滿足標準GB/T3077—1999中對20CrMnMo鋼成分的合格要求。

表1   齒軸化學成分（質量分數）檢測結果  （%）

（3）金相檢查

在T形花鍵磁痕處取樣，制樣拋光后觀察橫截面，橫截面多處存在與磨削表面垂直且向內擴展的細小裂紋，裂紋僅存在于零件淺表層，其擴展深度大致相同，為0.1～0.2mm；裂紋曲折、剛直，局部呈斷續狀，尾部尖細，如圖3所示。此外，裂紋兩側組織均為馬氏體，無氧化、脫碳、網狀碳化物等熱處理缺陷，如圖4所示。花鍵處表面硬度及有效硬化層深等都符合技術要求。

在軸身發紋處取樣，其橫截面拋光態形貌如圖5所示，表面及近表層無夾渣、疏松等缺陷，但表層和近表層多處存在硫化物夾雜，因此，在磁粉探傷時，該區域將呈現發紋類缺陷特征，磁粉積聚是由硫化物夾雜所引起的；軸身表層組織為馬氏體，存在偏析現象，如圖6所示；非金屬夾雜物評定為A1.5、D0.5，如圖7所示。

3.齒軸表面磁粉積聚原因分析及預防措施

（1）花鍵處裂紋原因分析及預防措施

通過以上檢測結果的特征可知，T形花鍵表面出現的龜裂狀磁痕積聚現象是由磨削裂紋引起的。這種磨削裂紋一般比較細淺，肉眼很難察覺，但利用磁粉探傷則很容易探出。磨削裂紋的產生與磨削處工件的形狀有一定的關系，磨削處工件的尖角結構有明顯的誘裂作用。

在本文中由于T形花鍵處裂紋兩側組織均為馬氏體，無氧化、脫碳、網狀碳化物等熱處理缺陷，花鍵處表面硬度及有效硬化層深都符合技術要求，由上可知，該齒軸的熱處理工藝正常，不是造成磨削燒傷的主要原因。那么可以推知，該花鍵處的磨削裂紋主要跟磨削不當有關，同時跟花鍵處T形形狀有一定關系。

導致磨削裂紋的原因主要有如下幾種：

• 其一，工件經滲碳淬火后，在金相組織中出現大量的網狀碳化物、殘余奧氏體時，或者由于回火不充分導致齒軸殘余應力過大時，在磨削時都容易產生磨削裂紋。
• 其二，在磨削過程中，會在工件表面產生大量的磨削熱，導致工件表面膨脹，同時熱量迅速向內部擴散，而工件表面受到冷卻液噴淋而收縮，但工件內層因溫度升高發生膨脹，因此工件表層受到拉應力。另外，工件的外表面受到砂輪的磨削應力，當這兩個應力的疊加超過該工件材料的強度時，就可能表面形成磨削裂紋。

預防該齒軸產生磨削裂紋的措施：

• ①磨削時，砂輪不能太硬，在保證工件表面粗糙度的前提下，應盡量選擇大些的砂輪粒度。
• ②磨削速度不宜過快，磨削進給量不要過大。
• ③冷卻液要過濾好，而且要充分供給，避免工件表面溫度迅速升高。
• ④在磨削時如發現磨削裂紋，可考慮增加一次補充回火或拋丸，可有效地減少齒軸的開裂傾向，從而對同批工件進行挽救。

（2）齒軸軸身磁粉積聚原因分析及預防措施

文中軸身短條狀磁痕是由發紋引起的，發紋的危害不容忽視，它會造成應力集中，影響齒輪的疲勞壽命。材料發紋的產生是由于在鋼的加工變形過程中，鋼中夾雜物、疏松或氣泡等沿著鍛軋方向被擠壓延伸所致，它是一種宏觀缺陷，屬于裂紋類缺陷中的線狀缺陷。

本文齒軸軸身發紋處表層金相組織為馬氏體，表面硬度正常，軸身表面及近表層無夾渣、疏松等缺陷，但多處存在硫化物夾雜，可知軸身發紋主要是由硫化物夾雜引起的。同時由于軸身存在偏析現象，可知軸身發紋處的鍛造比不足，沒有很好的改善材料的原始組織，也是產生磁粉積聚的原因之一。由于硫化物夾雜和偏析的存在，改變了軸身基體組織的連續性，由于硫化物夾雜和偏析的影響，使軸身表面和近表面的磁力線發生局部畸變而產生漏磁場，吸引磁粉堆積形成磁痕，顯示出發紋的位置、形狀和大小。軸身處非金屬夾雜物評定為A1.5、D0.5，而A類夾雜主要是硫化物，這與觀察到的硫化物夾雜相吻合。

為避免該齒軸軸身出現磁粉積聚現象，可采取以下措施：

• 其一，對原材料夾雜物和偏析進行嚴格控制，例如如，采購原材料時對夾雜物級別（包括數量、長度、寬度等）進行嚴格控制。
• 其二，適當增加齒軸軸身的粗加工量，車削時能盡量把帶有發紋的表層去掉，減少材料發紋的影響。
• 其三，在鍛造齒軸時要求鍛造供應商提高齒軸的鍛造終鍛溫度，同時增加齒軸軸身的鍛造比，例如，對軸身鍛造時可以采用兩鐓兩拔以上。

4.結論和預防措施

基于以上分析，得到以下結論和建議：

• （1）齒軸的T形花鍵處存在龜裂狀裂紋，主要是由于磨削不當造成的；而軸身的短條狀磁痕主要是由硫化物夾雜引起的。
• （2）消除齒軸花鍵處磨削裂紋可通過選用合適的砂輪、冷卻液、磨削參數等來實現。
• （3）消除齒軸軸身處磁痕積聚可通過控制原材料非金屬夾雜、提高鍛造比、加大軸身粗加工量等措施來實現。

來源：熱處理生態圈；作者：陳亮、吳剛、譚小明、吳國慶、李平平；單位：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司