凸轮轴磨削裂纹分析三篇

凸轮轴磨削裂纹分析 篇1

1.1 裂纹特征

1.1.1 磨齿裂纹

通过对大量磨裂齿轮齿面进行磁粉探伤检查分析, 发现裂纹呈线状分布。其分布形式一般有3种:a.裂纹自齿顶沿齿高呈短线型或长短线交替型分布, 长度在1�5 mm (图1) ;b.裂纹在节圆上部沿齿高呈短线型分布;c.裂纹自齿顶至节圆上部呈龟裂状分布。

1.1.2 花键裂纹

齿轮轴经渗碳直接淬火、回火后, 在磨削花键侧面时出现沿花键齿高度方向延伸、在键长方向呈平行状分布的裂纹。

1.2 磨削裂纹检测分析

1.2.1 磨齿裂纹

(1) 金相分析

通过对磨裂轮齿沿齿宽方向垂直裂纹处剖开的截面金相组织观察发现, 磨削裂纹都是沿晶界产生并扩展的, 裂纹深度一般为0.10~0.20 mm, 整个渗碳层区域的显微组织为粗大的针状马氏体和大量的残余奥氏体 (图2) 。

(2) 残余应力分析

通过对磨裂轮齿出现裂纹的齿面和未出现裂纹的齿面进行残余应力检测可知, 沿齿宽方向上的残余应力均为拉应力, 沿齿高方向上的残余应力均为压应力, 并且无磨削裂纹的齿面沿齿宽方向的残余应力比有磨削裂纹齿面上的小。

1.2.2 齿轮花键磨裂

裂纹花键表面以下0.05~0.15 mm区域出现“软带区”, 这是表面残余奥氏体较多造成的。同时发现, 金相组织中的马氏体为粗大马氏体。

2 裂纹产生的原因

磨削裂纹的产生应与磨削时齿面、花键侧面是否处于拉应力状态及渗碳热处理后的渗碳层组织和由磨削热引起的组织变化有关。下面主要从热处理和磨削加工质量两个方面分析其产生的原因。

2.1 热处理方面的影响

齿轮热处理质量的优劣是产生磨削裂纹的内在原因。一般情况下, 由于热处理不当而对磨削质量产生不利影响的因素有以下几个方面。

2.1.1 碳化物的大小、数量、分布及形态

由于碳化物导热率很低, 且韧性极低, 如果渗碳层碳化物的颗粒大、数量多、分布不均匀, 特别是形成粗大网状或角状形态, 将会导致材质的脆性增加。齿轮渗层组织中形成的网状碳化物或过多的游离碳化物硬度都极高, 在磨削过程中砂轮和齿面或花键侧面接触的瞬间, 磨削区的温度很高, 可能出现局部过热情况和发生表面回火, 使金相组织发生变化。此时, 比容减少, 硬度下降, 并在表面形成拉应力, 增加了裂纹出现的可能性。尤其在砂轮太硬的情况下, 表面拉应力增加, 会加剧磨削裂纹的产生。

2.1.2 残余奥氏体量

如果渗碳后淬火温度过高, 就会使奥氏体晶粒粗大和奥氏体内含碳量过高, 这样会导致形成粗大的马氏体和过多的残余奥氏体。粗大马氏体在形成过程中会使晶界产生微裂纹, 残余奥氏体也会在磨削加工中, 在磨削热和磨削力产生的冷硬化的共同作用下发生分解, 并引起相变, 从而形成较大的组织应力, 这些因素都增加了磨削裂纹的产生。

2.1.3 低温回火组织

渗碳淬火后回火温度和回火时间将影响马氏体的分解和显微裂纹的焊合。如果回火温度和回火时间不足, 就会在后序的磨削加工中在磨削热的作用下使表层马氏体继续分解, 使面层体积收缩而产生表面拉应力。当总的拉应力一旦超过材料的抗拉强度, 就会产生磨削裂纹。

2.2 磨削加工方面的影响

磨削加工产生的热应力是造成磨削裂纹的外部因素。在磨削加工中, 被加工表面层所承受的磨削力将使表面产生冷塑性变形, 而磨削加工所产生的磨削热会使齿轮表面产生热塑性变形和显微组织变化。通常, 热塑性变形占主导地位使表面产生拉应力, 显微组织变化产生的组织应力则根据磨削区的温度和冷却速度将呈现拉应力或压应力状态。

(1) 磨削加工过程中, 砂轮与工件间将产生热应力与机械应力, 齿轮磨削也不例外。产生应力的大小取决于磨削条件, 如砂轮硬度、粒度、磨料种类、磨削速度、磨削深度、磨削量及冷却液等。这些条件的综合作用将产生一定的应力, 构成了磨裂的外部因素。

(2) 齿轮的热处理变形小, 磨齿磨削量就小。单边最大磨削量一般为0.127 mm。若齿轮变形量大, 磨削量就大, 易造成表面拉应力增加, 而使表面硬度下降和有效硬化层深度减少, 加大磨削热应力, 从而增加磨裂倾向。

(3) 磨削经渗碳、淬火及回火的齿轮时, 由于局部在磨削过程中产生磨削热回火, 导致收缩或拉伸而引发裂纹, 并产生软点。另外, 残余奥氏体向马氏体转变, 局部的磨削热升至Ac1点以上, 部分齿轮表面在冷却液冷却过程中再次淬火并形成裂纹。热到150℃左右, 形成与磨削方向成直角平行线状的裂纹 (称为第一磨削裂纹) 。热到250~300℃, 呈龟甲状裂纹 (称为第二种磨削裂纹) 。

常用超声波探伤法、磁力探伤法及渗透探伤法检验裂纹。

3 对策

磨削裂纹的产生一方面与磨削加工中由磨削力所引起的表层冷塑性变形以及由磨削热所引起的表层热塑性变形和显微组织变化有关系, 另一方面与材料本身的热处理质量有关。当磨削过程中产生了表面拉应力并且超过齿轮材料表面的抗拉强度时, 就会出现磨削裂纹。因此, 主要应从热处理 (内因) 和磨削条件 (外因) 方面进行考虑, 并采取相应预防措施。

3.1 热处理方面

应制定合理的热处理工艺, 并在生产过程中严格执行, 避免产生不合格的金相组织。

(1) 渗碳后采用重新加热淬火

渗碳后二次加热淬火温度应适当低一些, 以获得隐晶马氏体或细针状马氏体, 从而提高渗碳层断裂强度。

(2) 回火应充分、均匀

对于渗碳淬火齿轮, 回火应充分、均匀。这样, 可使淬火马氏体得到充分转变, 显微裂纹焊合 (即愈合) 或者减少, 在保证技术要求的前提下尽量使齿轮表面硬度降低, 以消除淬火后的组织应力。生产实践证明, 如果把出现磨削裂纹的齿轮重新回火、充分保温后再进行磨削, 磨削裂纹即可消除。

(3) 喷丸处理

齿轮渗碳、淬火及回火后应进行喷丸处理, 喷丸后的齿轮表面可形成残余压应力, 将抵消一部分磨削过程中表面产生的拉应力。同时, 应严格控制喷丸工艺参数, 避免因过度喷丸使表层产生新的微小裂纹。

(4) 控制齿轮表面碳浓度

应严格控制渗碳过程中的碳势, 根据齿轮材质要求使表面含碳量降到0.80%~1.00%, 相应使碳化物和残余奥氏体都控制在3级以下 (QC/T 262—1999) , 从而有效地改善显微组织状态, 减少磨削裂纹出现几率。

(5) 控制奥氏体晶粒度

渗碳和淬火温度高容易使奥氏体晶粒粗大, 淬火后形成粗大针状马氏体。粗大的针状马氏体脆性高, 磨削时容易产生脆性。为此, 可以降低渗碳温度及淬火温度, 以获得细小或隐晶的马氏体组织。同时, 要求齿轮原材料和锻坯的晶粒度应细小 (如6~8级) 。

(6) 调整回火工艺降低淬火应力

生产实践证明, 通过增加回火次数 (如2次以上) , 使淬火马氏体充分转变, 提高残余奥氏体稳定性, 可以避免或减轻磨削裂纹的产生。

3.2 磨削方面

磨削条件是影响裂纹产生的一个重要因素。在磨削过程中磨削热一般会引起残余拉应力的产生, 因此预防磨削裂纹产生的根本措施就是减少磨削热、降低磨削温度。

3.2.1 磨料种类、粒度和砂轮硬度

磨料种类的选择应根据被磨削的材质而定;在保证齿面粗糙度的前提下, 磨料粒度应尽量选择大一些;因为渗碳层硬度较高, 砂轮的硬度要选择小一些, 这样可以使磨钝了的磨粒及时脱落, 砂轮经常有锐利的磨粒在工作, 避免产生过多的磨削热。并且, 磨料粒度越细, 砂轮硬度越要小一些, 以防止砂轮表面粘上过多的磨屑。若选用立方氮化硼砂轮, 将会提高被磨削表面的质量和零件的使用寿命。

3.2.2 磨削液和冷却方式

采用乳化液冷却时, 冷却较为强烈, 会使磨削区的热胀冷缩现象加剧, 产生较大的内应力。如果选用适当牌号的机油冷却则比前者柔和, 产生的内应力减小。

采用的冷却方式应使磨削区温度降低, 并确保冷却液喷到磨削区内。为此, 调节冷却液流量在40~45L/min, 压力在0.8~1.2 MPa, 就能够实现充分冷却, 同时冲去粘在砂轮上的磨屑。

3.2.3 磨削用量

选择合适的磨削量对降低磨削温度也起到重要作用。磨削深度进给量、工作台展成速度、砂轮转速和砂轮冲程次数的选择会直接影响磨削区的温度。磨削深度进给量与磨削区温度大致成正比, 并且也是这几个磨削用量中对磨削区温度影响最大的因素。因此, 在能够保证加工效率的情况下, 应适当减少磨削深度, 降低进给量。砂轮转速应根据模数而定, 一般不宜选得过大。

3.2.4 磨削余量

磨削余量过大会产生过多的磨削热, 从而导致磨削温度上升, 增加裂纹出现的可能性, 因而应尽可能减小磨齿余量。

3.3 防止齿轮磨裂实例

例1, 20Cr Mn Ti、20Cr Mn Mo钢齿轮磨齿裂纹防止措施。

齿轮材料为20Cr Mn Ti、20Cr Mn Mo钢, 其渗碳、淬火及回火后在磨齿过程中防止磨削裂纹产生的措施如下。

(1) 采用控制碳势方法进行渗碳, 避免渗碳齿轮表面碳势过高而引起残余奥氏体量过多及淬火马氏体组织粗大。最终, 齿轮表面含碳量控制在0.90%左右为佳。

(2) 20Cr Mn Ti、20Cr Mn Mo钢齿轮经渗碳、淬火后, 采用3次180~190℃的低温回火, 每次保温时间在3 h以上, 磨削裂纹出现几率可以为零。

(3) 粗磨后增加回火工序, 对避免精磨时产生裂纹有显著效果。

例2, 17Cr2Ni2Mo钢Ⅰ级大齿轮磨削裂纹防止方法。

钢厂板材轧机配套的减速机Ⅰ级大齿轮, 直径为1 450 mm, 齿宽为750 mm, 模数为32 mm, 材料为17Cr2Ni2Mo钢。技术要求:有效硬化层深4.0~4.5mm, 齿面硬度57~61 HRC。制造工艺流程:锻坯→正火→粗车→探伤→滚齿→渗碳→去渗碳层→淬火→探伤→精车→磨齿。其磨齿裂纹预防措施如下。

(1) 热处理质量的控制

a.主要控制碳化物的大小、数量、形态和分布, 以获得弥散分布细粒状碳化物, 从而提高材料的断裂强度, 减少脆性。

b.控制马氏体级别, 以获得细针状或隐晶马氏体, 避免产生粗大针状马氏体, 从而减少裂纹源, 提高材料的断裂强度。

c.控制残余奥氏体的数量, 防止齿轮在磨削时产生组织转变, 防止产生较大的组织应力。

d.表面碳含量要适当, 碳浓度梯度分布应平缓, 以保证良好的表面强度和应力分布。此外, 低温回火温度应适当, 时间应充分。

(2) 磨削工艺的控制

a.尽量减少磨削热的产生, 减少切削力, 尽量消除磨齿工序前后的冷热温差。

b.砂轮的选择。在保证齿面精度的情况下, 一般选用较大粒度的砂轮。此外, 应注意砂轮的平衡情况, 及时修整砂轮使其保持平衡。

c.磨削深度、进给量、磨削速度的选择。粗磨时进给量取0.05~0.10 mm、精磨时取0.005~0.025mm为宜。同时, 在保证齿面精度和工作效率基础上, 应尽量减少切削力, 控制磨削速度。

d.冷却液的选择。一般选用15号液压油作为冷却液, 并且在恒温间工作。冬天可将冷却液加热到40℃左右, 磨完齿后再将齿轮迅速放入低温烘干箱保温4~6 h, 以防止冷脆裂纹。

例3, 17Cr2Ni2Mo A钢齿轮磨齿裂纹防止措施。

齿轮材料为17Cr2Ni2Mo A钢。齿轮生产流程为下料→毛坯锻造→正火→滚齿→渗碳→淬火、回火→磨齿。其磨齿裂纹防止措施如下。

(1) 选用软一点的砂轮 (如选用中硬R3砂轮) , 及时修整砂轮, 并在修整时适当加快行程, 降低砂轮的线速度, 减少进给量。

(2) 磨削量过大易产生裂纹, 应适当减少磨削量。经过多次低温回火或冷处理可以大大降低磨削裂纹出现几率。

例4, 控制18Cr2Ni4A、12Cr2Ni3A、20Cr Mo、12Cr2Ni4A及18Cr2Ni4WA钢齿轮磨齿裂纹方法。

(1) 将残余奥氏体量严格控制在10%~15% (体积分数) 以下。齿轮在渗碳缓冷或空冷后有残余奥氏体存在时, 在淬火前必须进行高温回火, 使残余奥氏体充分转变后才进行淬火。对18Cr2Ni4A大齿轮, 渗碳后必须在640℃× (3~4) h回火3~5次, 然后空冷。12Cr2Ni3A、20Cr Mo等钢齿轮也要进行1~2次高温回火后再进行淬火。这样, 可以防止磨齿时残余奥氏体转变为马氏体时, 由于体积膨胀引起过大的组织拉应力, 从而大大减小磨削裂纹出现的几率。

(2) 齿轮原材料和锻坯的晶粒度应细小 (6~8级) , 渗碳温度和淬火温度应控制在下限, 冷却时的速度不宜过大, 以防止粗大的马氏体和显微裂纹的产生, 减少磨削时的应力集中程度。

(3) 在保证齿面硬度不低于58 HRC的条件下, 适当提高回火温度和延长保温时间, 以充分消除淬火时形成的残余拉应力, 对减少齿轮的磨削裂纹也极为有利。

(4) 为了消除磨削裂纹, 除了控制表面碳含量和渗碳后炉冷 (或坑冷) 或直接油冷外, 对12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA钢渗碳淬火后还需进行冷处理, 并在粗磨后进行120℃×2 h回火。

(5) 渗碳齿轮表面太粗糙, 极易在淬火过程中或在随后的磨削过程中形成裂纹。因此, 渗碳前的表面粗糙度不宜太大。

(6) 渗碳层中存在的大量残余奥氏体、粗大碳化物及网状碳化物极易引起磨削裂纹的产生。因此, 在渗碳淬火过程中, 应严格执行热处理工艺, 避免不合格的金相组织产生。

例5, 20Cr Mn Mo A钢机车主动齿轮采用盐浴淬火减少磨削裂纹的工艺方法。

机车主动齿轮材料为20Cr Mn Mo A钢, 采用甲醇和煤油作为渗碳剂, 进行常规渗碳淬火。在磨削过程中, 出现大量磨削裂纹, 磨裂率高达9.6%, 磨裂废品率达7.09%。

(1) 改进工艺:860℃进行渗碳, 在80~120℃的L-AN46热油中淬火;盐浴炉中预热600℃×2 h, 淬火加热850℃×0.5 h, 油冷时间20~30 min。

(2) 检验结果:马氏体、残余奥氏体及碳化物均为1级 (QC/T 262—1999) ;表面无氧化现象;齿轮表面与心部硬度分别为63~65 HRC和38~40HRC, 均达到技术要求;最容易产生磨削裂纹的齿轮, 首批117件没有产生磨削裂纹, 第二批580件仅4件产生磨削裂纹。因此, 改进效果明显。

例6, 预防20钢渗碳齿轮轴磨齿裂纹的有效措施。

冶金用减速机硬齿面齿轮, 材料20钢, 其中一齿轮 (轴模数16 mm) 渗碳、淬火及回火后进行磨齿时产生磨齿裂纹。改进措施如下。

(1) 工艺流程改进

粗车→预先热处理→半精车→滚齿→渗碳→二次半精车→淬火、回火→精车→磨齿。

(2) 预先热处理

预先热处理采用正火+高温回火工艺。

(3) 渗碳

采用RQ3-210-9T型可控气氛渗碳炉渗碳, 碳势的控制保证齿轮表面碳含量0.80%~0.90% (下限范围) , 以减少残余奥氏体;扩散期碳势控制在0.80%, 扩散时间5~6 h;工件随炉降温至860~880℃出炉入缓冷坑, 不能放置在露天进行空冷, 否则齿轮表面会因空冷而产生裂纹。

(4) 淬火

采用中频加热淬火, 淬火冷却用乳化液, 淬火后硬度为63~66 HRC。

例7, 18Cr Mn Ti钢齿轮轴预防花键磨裂措施。

18Cr Mn Ti钢齿轮轴, 渗碳层深度为1.1~1.6mm, 表面硬度为58~64 HRC, 经渗碳直接淬火、回火后, 在磨削花键侧面时, 出现沿花键齿高方向延伸, 在键长方向呈平行状分布的裂纹。

渗碳齿轮轴在磨削过程中在磨削应力和磨削热共同作用下出现裂纹, 这与较高的残余奥氏体、马氏体和碳化物有关。为了预防磨削裂纹的产生, 可以采用以下细化显微组织的热处理工艺方法。

(1) 900℃渗碳, 870℃直接淬火, 830℃二次淬火, 220℃×2 h回火。

(2) 900℃渗碳, 860℃直接淬火, 620℃回火, 830℃二次淬火, 200℃回火。

(3) 900℃渗碳, 860℃直接淬火, 370℃回火, 830℃二次淬火, 200℃回火。

4 结论

(1) 磨削裂纹产生的根本原因是由于渗碳、淬火及回火后的齿轮表面在磨削过程中产生高热, 使马氏体体积收缩而形成拉应力所致, 而不良的热处理显微组织状态会进一步增加齿轮磨裂的几率。

(2) 热处理方面应严格控制碳势, 降低过高的表面含碳量, 避免形成不良的碳化物形态和分布;适当降低渗碳温度及淬火温度, 增加回火保温时间, 使马氏体组织细小, 残余奥氏体含量降低, 淬火应力减小。通过以上热处理工艺改进, 可以大大减小磨削裂纹的产生。

(3) 齿轮的磨削方面应改善磨削工艺, 合理选用砂轮粒度、硬度、磨削参数以及磨削冷却液等, 可以有效防止局部高热或过度回火的产生, 从而有效防止磨削裂纹的形成。

摘要：渗碳齿轮的磨削裂纹一般是指齿轮在热处理渗碳、淬火及回火后在机械加工磨削过程中, 齿轮的齿面、花键侧面产生的表面裂纹。裂纹的产生将影响齿轮的使用性能, 严重时会使齿轮报废。通过严格控制热处理和磨削加工质量, 可以获得合格的显微组织, 降低磨削加工热量, 从而最大限度地减少渗碳齿轮磨削裂纹的产生。

凸轮轴磨削裂纹分析 篇2

一、提高磨齿精度的方法及措施

1. 齿轮的留磨余量要均匀。

要根据齿轮的相关参数选择合理的磨削余量, 磨削余量越小越好。这样, 既可以保证淬硬层, 又可以提高齿轮的承载能力。同时, 热处理时应严格按工艺要求的位置和允许的范围, 将热变形的误差降到最小。这样, 既可以使淬硬层更均匀, 又可以使磨削余量更小。

2. 磨前齿轮时, 要在齿根处留一定的沉切量。

沉切量一般略大于齿厚单边的磨削余量, 以起到空刀槽的作用。另外, 从齿轮的热后残余应力情况看, 也要求齿根处有一定的沉切量。渗碳淬火后, 齿轮根部残余应力是压应力, 这对提高齿轮的抗弯强度十分有利。若磨削不留沉切量, 齿轮的残余应力就会变为拉应力, 试验表明, 拉应力会使轮齿的抗弯强度降低约17%~20%。

3. 磨后齿轮时, 渐开线的长度应足够长。

由于齿根发生根切, 有可能使齿轮的磨后渐开线长度不够, 导致齿轮的重合度降低, 从而在啮合过程中产生振动和噪声, 同时, 也会降低齿轮的承载能力。因此磨后齿轮时, 要保证齿轮渐开线的有效长度, 以确保齿轮平稳运转, 起到降低噪音的作用。

4. 影响磨齿精度的原因。磨齿一般采用蜗杆砂轮磨齿, 在生产实践中, 蜗杆砂轮磨齿常见的误差形式及产生的原因见表1。

二、齿轮磨削裂纹的解决途径

陕西法士特汽车传动集团有限公司生产的某出口齿轮, 磨糊磨裂现象很常见, 达不到图纸的技术要求, 严重影响了产品质量。为了解决这个问题, 技术人员从砂轮选择、磨齿余量、切削参数、冷却液等方面综合考虑, 经过大量实验, 最终解决了这一问题。

1. 砂轮的选择。砂轮的特性主要指磨料、粒度、结合剂、硬度、

组织形状和几何尺寸等。本文, 技术人员主要基于以下几个方面选取砂轮。

(1) 砂轮磨料的选取。选取白刚玉系列, 有效降低了磨削时产生的热量。

(2) 砂轮粒度的选取。砂轮粒度与工件表面的粗糙度有关, 根据工件的精度要求, 一般选取46#或60#砂轮。对于粗糙度要求较高的零件, 应选用号数较大的粒度。

(3) 砂轮硬度的选择。由于工件较硬, 砂轮容易磨钝, 为了保持砂轮的切削性能和不烧伤工件, 需要使磨钝的砂粒较快脱落, 从而突出新的锋利砂粒 (这种性质称为砂轮的自锐性) , 这样, 砂轮的硬度会小一些。

2. 磨齿余量的选择。

磨削余量的大小取决于预切齿轮的精度、磨齿前切齿工序产生的误差、热处理时的变形, 以及热处理后精磨内孔形成的径向偏差。为了提高磨齿效率, 防止磨齿时出现烧伤和裂纹, 保证齿轮质量, 必须尽量减小磨削余量, 但需注意防止加工余量过小, 出现残留黑皮。技术人员经过反复试验, 摸索出了适合产品需要的加工余量, 具体的磨削余量选择见表2。

3. 切削参数的选择。

合理选择搭配切削用量, 要选择较高的砂轮转速, 以及适当的进给量。以秦川磨齿机 (YK7236A) 为例, 技术人员经过多次试验, 调整不同的进给量及循环次数, 找到了最佳的切削参数。具体参数如表3所示。实际加工中, 可以根据所留余量的大小, 调整磨削2的循环次数

4. 冷却液的选择。

冷却液也是磨削中的一个重要环节。冷却液要直接喷在磨削区上, 并且必须保证其流量和压力的充足, 以及充足的循环时间, 以使冷却液得到充分冷却。同时, 循环过程中还要经过过滤网, 以保证冷却液达到要求的纯净度。

三、结论

镀铬活塞环宏观磨削裂纹浅析 篇3

镀铬作为活塞环表面处理的一种较为常用的表面强化处理技术, 在车柴、轿微、船舶、工矿机械、压缩机等工业领域有较为广泛的应用。活塞环镀铬后的机械加工主要为磨削与珩磨 (或者称为研磨) , 由于受到电镀铬层本身的特性以及电镀工艺的影响, 在后序的磨削加工中, 很容易产生磨削裂纹, 采用网纹镀铬工艺的活塞环尤其严重。本文仅根据笔者实际经验并结合相关研究资料, 从铬层裂纹产生的机理、影响因素以及工艺改善等方面和同行们一起讨论, 以便切实提高活塞环的制造质量。

2 铬层裂纹产生的机理与影响因素分析

2.1 宏观裂纹与微观裂纹

按照铬层裂纹检测方式的不同, 将铬层裂纹分为微观裂纹与宏观裂纹。微观裂纹通常是网状裂纹, 并且需要通过阳极刻蚀加深加宽或着色来进行检查 (如图1-a) 而宏观裂纹是截面贯穿的裂纹, 仅需用肉眼或低倍放大镜就能辨别 (如图1-b) 。这种通过肉眼可辨的裂纹是不符合《GB1149.4-2008质量要求》[1]规定:镀铬活塞环外圆面不应有肉眼可见的微裂纹的要求, 是属于不合格的产品, 这种裂纹通常在活塞环电镀后的外圆靠模磨削中被发现。

2.2 微观裂纹产生的机理

据有关资料介绍[2], 和其他常用的金属材料一样, 镀层在电结晶过程中存在内应力。关于内应力的形成机理, 目前文献中大致有以下五种理论模型, 即⑴位错模型, ⑵聚结模型, ⑶过能量模型, ⑷渗氢模型, ⑸夹杂模型, 其中渗氢模型是解释应力产生最为简单的方法, 在这里不再详细阐述。镀层中这种内应力的存在, 往往会造成镀层的微观裂纹, 且镀层的硬度越高, 微裂纹的发展趋势就越明显, 例如镀铬层, 由于硬度高, 内应力大, 微裂纹不仅多而且形成了网状结构。对于不同电镀工艺的铬镀层, 由于电镀工艺参数、电沉积过程中夹带物及夹带物含量的不同, 镀层的微裂纹数也不同 (见表1) 。并且对于同一种镀铬工艺而言, 随着温度、电流密度的变化, 镀层网纹数也在相应的不断增加或减少 (见图2) 。

2.3 宏观裂纹产生的主要影响因素

活塞环在镀硬铬后, 为消除因电镀层沉积造成基体疲劳强度降低, 一般进行“除氢”处理, 通过在镀铬后进行200~300℃的加热处理以析出晶格中所含的氢, 氢的析出会造成铬层体积的收缩。电镀后铬层本身存在很高的内应力, 氢析出后, 由于体积发生变化, 使得铬层内部内应力的大小、方向以及分布发生巨变, 同时为达到所需的轮廓精度, 镀铬层还需要进行电镀后的机械加工, 通常采用的是外圆成型磨削加工, 磨削力与铬层内应力的叠加, 会使裂纹网的密度与形态发生变化, 加剧了裂纹网向深度、宽度方向发展, 最终会在活塞环外圆面形成肉眼可见的宏观裂纹 (图3-1、图3-2) 。这种宏观磨削裂纹的严重程度, 除与磨削力的大小直接有关外, 铬层本身的微裂纹密度、铬层氢含量以及活塞环本体各截面的内应力对其影响也非常大。

a) 析氢反应的影响

活塞环的镀硬铬过程中阴极电流效率很低 (约为18%左右) , 铬沉积的同时伴随大量的氢气生成。在一定条件下, 氢也渗入金属内部, 形成化合物—氢化铬 (CrH2、CrH) 。通过对镀层结晶组织的分析可知, 硬铬层中不仅存在稳定的体心立方晶格, 同时还存在不稳定的密排面心六方晶格和α—Mn型晶格。这种含有六方晶格的镀铬层在后序的加工特别是“除氢”处理中氢会析出, 形成体积更小、密度更大而且形态更稳定的体心立方结构, 如活塞环除氢后的开口比除氢前变大约7~20%, 就是受铬层内部晶格转变的影响。这种晶格的转变不仅对铬层内部的应力重新进行分布, 同时也改变了应力的方向:电镀时过程中铬层内部为压应力 (与活塞环闭合方向相同的应力) ;而除氢后由于铬层体积的变小, 铬层内部的应力则转变成拉应力 (与活塞环闭合方向相反的应力) 。应力值的大小可根据Stoney于1909年提出用变形来进行计算[2], 对于活塞环可通过曲率变化来进行计算:

式中σ———镀层中的内应力;

t———活塞环的径向厚度;

d———铬层的厚度;

e———基体材料的杨氏模量;

ra———变化后的曲率半径;

rb———变化前的曲率半径;

材料的杨氏模量e、弹性模量E以及泊松比v满足以下关系:

如我公司一缸径为100的普通灰铸铁活塞环, 除氢处理前开口为12mm, 处理后开口张开到13.8mm, 径向厚度为4.5mm, 镀层厚度为0.15mm, 基体弹性模量按100GPa取值, 泊松比按0.3取值, 则铬层除氢后的内应力计算约为350MPa。而据有关资料介绍[2], 对于厚度大于0.1mm的铬电镀层的抗弯强度极限为100~530MPa。由此可见, 经除氢处理后铬层内应力影响较大。

b) 外圆磨削的影响

镀铬活塞环的外圆面加工通常采用的是磨削与研磨加工, 在实际的生产过程中我们发现:同样是电镀后经过除氢处理的活塞环, 采用外圆磨削加工的环, 外圆会产生目视可见竹节状的磨削裂纹, 如图1-b;而采用研磨加工的活塞环至今未发现外圆有目视可见的裂纹。外圆磨削时, 磨削力F分解为切向力Ft、法向力Fn以及轴向力Fa (见图4) , 其中切向力Ft是使铬层剥离的力, 因方向与铬层内部拉应力方向相同而叠加, 超过铬层的强度极限, 致使磨削面产生垂直于磨削方向的裂纹。这种磨削是一种刚性的切削加工, 力的大小与磨削速度、砂轮的锋锐程度以及磨料磨削性能相关;相反对于研磨加工来说, 本质上也是由磨粒参与切削, 但此时铬层所受的切向力Ft、轴向力Fp大小仅与环体本身的弹力即壁压有关, 属于柔性切削, 同时切削力为轴向的, 方向与铬层内部应力方向不同, 不产生叠加。

c) 活塞环本体内应力的影响

通过对活塞环的工作应力分析可知:活塞环闭合时, 中心轴内层基体所受的应力为压应力, 而外层的基体所受的应力为拉应力, 应力的大小可通过以下公式计算[3]:

式中σ1———活塞环外层基体所受的拉应力;

Q1———活塞环的切向弹力;

rm———活塞环中心轴半径;

w———矩形活塞环的截面系数;

随着θ角度的变化 (见图5) , 应力的最大值出现在A点, 最小值出现在B点。同理, 附着于活塞环外圆面的铬层跟随着活塞环的闭合而受到附加的此拉应力作用, 且方向与除氢所产生的应力方向相同。我们知道普通灰铸铁活塞环的工作应力一般为200~300MPa, 这与前面所述的除氢产生的应力、磨削力的叠加足以对铬层间结合造成非常大的破坏。而我们在实际加工中发现, 磨削裂纹多数集中AD与AE段, 尤其以A点附近30°范围内的裂纹密集度为最高, B点附近几乎很少产生裂纹。

3 工艺改善探讨

3.1 选择适合的电镀工艺参数

根据尤·布·费道罗夫的有关有网状裂纹和无网状裂纹的分界图 (图6) 可知:温度与电流密度对所沉积的铬层的网纹状况影响较为明显, 随着电流密度DK值的增加, 铬层朝着裂纹区域发展, 然而随着温度的升高, 铬层趋向无裂纹区域, 这与我们通常的“温度高, 铬层韧性好”的认识是相符的。

3.2 减少析氢反应

镀铬后, 铬层晶格中所含氢的析出是造成铬层内应力急剧变化的诱因, 铬层中氢的含量据研究证明, 是随着电镀液温度的上升而逐渐减少的 (表2) 。在不影响铬层性能的前提下, 适当提高温度对减少铬层内应力是有利的。

另外镀铬后不进行除氢处理, 对镀层内应力的减小与磨削裂纹的改善是非常明显的。据有关资料表明[2], 镀铬后的除氢处理并不能提高基体的疲劳强度, 反而将使疲劳强度加倍的下降, 如高强度钢的镀铬, 见图7。目前国内一些活塞环生产厂家已逐步取消了部分活塞环产品镀铬后的“除氢工序”。同时, 在活塞环镀铬后的机械加工过程中还须关注工序间清洗后的烘干对镀铬层析氢反应的影响。对于目前比较普遍的三种烘干方式:电阻丝烘箱、有机溶剂沸腾蒸发、热循环风吹干。我们建议采用热循环风的烘箱进行过程清洗的烘干, 因为我们知道氢在100℃时已开始析出, 而热循环风的实际烘干温度在70℃左右。

3.3 减小外圆磨削力

由外圆磨削力实验公式 (见公式4) 可知[4], 外圆磨削时的磨削力Ft大小主要与切削深度ap、工件转速vw、轴向走刀速度fa成正相关。

活塞环外圆成型磨削一般使用日本成型磨床加工, 属于靠模磨削, 并无轴向移动, 而切削深度ap与径向进给速度有关, 所以从理论上讲, 适当地调整磨削时进刀速度、工件转速, 能显著地减少磨削力的影响。但是从整个磨削系统来讲, 影响磨削力的要素不仅仅为磨削参数, 砂轮磨料、切削液也是其中比较关键的要素, 我公司解决磨削裂纹的措施之一便是将原铬钢玉磨料经试验后调整成自锐性较好的微晶刚玉磨料, 获得了较理想的效果。

4 结束语

我公司通过对电镀、加工以及产品设计等方面综合改进, 本质量问题最终得以圆满解决, 迄今再未发现此类裂纹的产生。在这里需要说明的是, 镀铬活塞环取消了“除氢处理”会对活塞环环开口处的漏光、弹力的消失率造成一定影响, 但这些可通过仿形时对压力型线、仿形尺寸进行调整来进行弥补。

摘要：本文从电镀、机加工以及活塞环的设计等方面系统分析了活塞环镀铬后磨削裂纹产生的机理与影响因素以及对工艺改善方面也提出相应技术途径, 对活塞环实际生产过程中的质量控制有一定的借鉴与指导意义。

关键词：裂纹,应力,析氢反应,磨削力

参考文献

[1]《GB1149.4-2008质量要求》活塞环国家标准

[2]《电镀理论》黄子勋吴纯素等编著, 中国农业机械出版社, 1982年

[3]《活塞环》邬伯翔编著