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    球鐵曲軸感應淬火后磨削裂紋問題

    我公司生產的QT800-5某型號四缸曲軸,經軸頸感應淬火+回火+精磨后,在光滑的軸頸表面上產生了微裂紋,有的呈帶狀分布,深度較淺,且基本一致,形態上辨別為龜裂或網狀,如圖1所示,也有單條直線裂紋(或多條平行的點條裂紋),如圖2所示。磨削裂紋的產生嚴重影響了曲軸的使用性能,導致曲軸斷裂破壞,只能報廢處理,給公司經營造成了一定的損失。

    1.磨削裂紋的產生分析

    由于磨削時零件表面的溫度可能高達820~840℃或更高,所以磨削裂紋的產生通常是由磨削熱引起。一方面,淬火時產生的殘余奧氏體,在磨削時受磨削熱影響即發生分解,逐漸轉變為馬氏體,這種新生的馬氏體集中于表面,引起零件局部體積膨脹,加大了零件表面應力,導致磨削應力集中,繼續磨削則容易加速磨削裂紋的產生。另一方面,如果在磨削時冷卻不充分,磨削而產生的熱量足以使磨削表面薄層重新奧氏體化,隨后再次淬火成為淬火馬氏體。因而使表面層產生附加的組織應力,再加上磨削所形成的熱量使零件表面的溫度升高極快,這種組織應力和熱應力的迭加超過材料的強度極限時,被磨削的表面就會出現磨削裂紋。

    2.磨削裂紋特征 

    (1)磨削裂紋與一般淬火裂紋明顯不同,磨削裂紋只發生在磨削面上,深度較淺,且深度基本一致。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向的平行線,且是規則排列的條狀裂紋。較嚴重的裂紋呈龜裂狀(封閉網絡狀),其深度大致為0.03~0.5mm,如用酸腐蝕,裂紋明顯易見。

    (2)磨削裂紋在顯微鏡下觀察,主要表現為穿晶而過,但也有沿著晶界延展的。

    磨削裂紋,也可說是由表面二次淬火形成。 如果磨削過于劇烈,零件表面瞬時溫度極高,致使工件表面在很薄區域內重新奧氏體化,再由于隨后的快速冷卻,則造成該表層重新淬火,通常稱為二次淬火。該薄層的組織為淬火馬氏體+殘余奧氏體,酸浸蝕后呈白色,在白色的淬火層下面是黑色的回火屈氏體組織,所以這種零件的顯微組織由外及里為淬火馬氏體+殘余奧氏體→淬火馬氏體+回火屈氏體→回火屈氏體+回火馬氏體→回火馬氏體(正常組織)。

    3.樣件分析

    該曲軸的加工路線:鑄造→正火→機加工→感應淬火→去應力回火→探傷→磨削。由表面至心部基體組織應為:淬硬層是回火馬氏體,心部為珠光體。

    感應淬火及時回火,經探傷合格后,才轉至磨削工序,那么裂紋就是在該工序產生,及磨削裂紋,而非淬火裂紋。

    體積變化,熱處理前后各種組織不同是引起體積變化的主要原因,馬氏體-珠光體-奧氏體的比體積依次減小。馬氏體的膨脹率隨著基體中含碳量的增加而增大。

    圖3是解剖圖1所示有裂紋的曲軸樣件,沿軸頸徑向取樣,低倍下觀察軸頸表面的裂紋形貌,一些區域裂紋出現分岔,但石墨分布均勻,沒有異常的片狀、蠕蟲狀石墨。裂紋深0.50mm,呈倒T形分布,兩側邊分布寬2.9mm。

    在用3%硝酸酒精腐蝕后,裂紋處出現了白亮色的異常斑塊,如圖4所示。

    在高倍下斑塊區域為淬火馬氏體,如圖5所示。

    淬火馬氏體層深0.15mm,而其他區域的淬火層組織為回火馬氏體。淬層深2.1mm,淬層硬度為48HRC,軸頸基體珠光體96%,如圖6所示。

    正常情況下,軸頸表面淬硬層的組織應為單一的回火馬氏體組織,軸頸表面出現的淬火馬氏體組織應當是在磨削時形成,而且只能是磨削時形成這樣的斑塊的輪廓。由于磨削時操作不當,在磨削處產生了很高的溫度,使得這些區域的組織奧氏體化,經磨削液的冷卻作用轉變為淬火馬氏體。由于表面的組織溫度很高,在表層相變區域內的出現了相變應力及熱應力,但次表層的組織沒有產生轉變,對表層相變區的熱膨脹和冷卻收縮起到阻礙的作用,使得在表層相變區形成裂紋。

    4.磨削工序采取以下措施 

    磨削裂紋的產生是一失效形式,是由磨削熱所致,所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關鍵。

    (1)控制原始應力,淬火應力的存在應是造成磨削裂紋的原因之一。從以上分析知道,產生磨削裂紋的根本原因在于淬火件的馬氏體組織是一種膨脹狀態,有應力存在,要減少和消除這種應力,即淬火后應馬上進行充分回火處理,我們采取370℃保溫2小時回火處理,以消除淬火形成的殘余應力,硬度保持在HRC46-52,易磨削,效果好。 

    (2)選擇合適磨削方式,在精磨之前加半精磨工序。在淬火后,徑向還有0.5mm的加工余量,半精磨選用粒度較粗的軟砂輪磨削,便于強力磨削,提高效率,然后再用粒度細的砂輪進行快速精磨,減少背吃刀量,也避免燒傷。這是一較理想的方法。

    (3)及時修整砂輪,恢復其磨削能力。用于半精磨、精磨的砂輪,磨幾條軸后,其磨削力就減弱,如不修整,只能靠延時來達到所需的加工尺寸,這樣極容易產生燒傷、裂紋。那么,定時的修整砂輪,保持其良好的性能,是簡單易行且行之有效的措施。

    (4)選擇合適的磨削量,也可以降低磨削熱的產生。磨削產生的熱量與砂輪單位時間內切除的金屬量大致成正比,因此適當減小磨削深度、降低進給量,可以減少磨削裂紋產生。有的員工為了提高產能、突擊任務,增大磨削量,以提高磨削速度,結果也增大了磨削熱,便產生磨削裂紋。應嚴格控制磨削進給量。

    (5)整個磨削過程,采用濕磨,且增大切屑液的濃度,不僅給砂輪和工件以冷卻,給磨削以潤滑,也給砂輪以沖洗。這也是降低磨削熱的途徑。


    作者:李永真、崔文慶、趙向方

    單位:濱州海得曲軸有限責任公司

    來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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