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[摘 要]渗碳齿轮磨削裂纹是齿轮制造过程中普遍存在一种现象，直接影响着齿轮表面质量和工作性能。本文以18CrNiMo7-6渗碳齿轮为研究对象，分析了磨削裂纹产生原因，并从材料、热处理和机械加工几个方面，提出预防磨削裂纹的工艺措施。
[关键词]硬齿面磨削、磨削裂纹成因、防止和消除、工艺措施
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0282-02
我单位是以生产超重型矿用车为主的厂家，矿用车上的减速机齿轮为高精度硬齿面重载齿轮，齿轮材料采用18CrNiMo7-6，经渗碳淬火，齿面硬度在58-61HRC，另外要求齿顶修椽和齿向修形，精度为5级，齿轮最终精度由精磨加以保证。在齿轮精磨过程中，齿面的表面质量不高，出现了大量的磨削裂纹，产品质量严重下降，甚至报废，在经济上造成巨大损失。对此，我公司从齿坯材料、热处理和机械加工几个方面，进行了大量的研究工作，将磨削裂纹控制在较低限度，提高产品加工质量，为企业赢得可观的经济效益。
1 硬齿面齿轮的使用工况
为实现减速机稳定可靠的降速增扭功能，以及低噪和温升要求，要求18CrNiMo7-6硬齿面齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根抗弯强度都很高，接触应力和弯曲应力的大小和精度是密切相关的，齿轮的制造和装配误差以及安装误差均会引起齿面和齿根的局部过载，从而影响齿轮实际承载能力。硬齿面齿轮只有在高精度的条件下，其承载能力高的特点才能充分的发挥。由于硬齿面齿轮的跑合性能比软齿面齿轮差得多，所以精度低造成硬齿面齿轮承载能力下降，其后果要比软齿面齿轮严重得多。如果在加工过程再产生磨削裂纹，将会大大缩短齿轮使用寿命。根据以往的工程经验，在齿轮表面和非表面部分，都可能出现材料的局部破裂。齿轮出现的裂纹，按形成特点可分为工艺裂纹和使用裂纹两大类，工艺裂纹是生产齿轮的工艺不当而是造成的材料缺陷所致，并在一定载荷条件下失稳扩展造成齿轮失效，如铸造裂纹、锥轧裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、磨削裂纹等，而使用裂纹是在零件使用过程和环境中产生的，并进而扩展造成齿轮失效，如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹等。此次重点研究工艺裂纹中的磨削裂纹产生原因，并提出相应防止和消除磨削裂纹工艺控制措施。
2 硬齿面齿轮磨削裂纹产生机理
磨削的表面质量包括磨削表面的微观不平度（表面粗糙度）、磨削表面烧伤、表面残余应力及磨削裂纹等。在磨削过程中，如果工艺方法选择不当，当形成的残余应力超过工件材料的强度极限（бb）时，在磨削速度的垂直方向发生微小龟裂，导致工件表面出现裂纹。因此造成裂纹的因素是，磨削表面局部瞬时高温和急剧冷却所造成的热应力。在交变载荷下，微小裂纹会迅速扩展，造成工件表面破坏，出现早期低应力脆性断裂。总之，磨削裂纹是磨削拉应力超过材料断裂强度所致。
3 硬齿面齿轮加工的工艺方法
3.1 粗滚齿
粗滚齿加工过程切削了大量的加工余量，为渗碳热处理和磨削过程作准备，保证后续工艺过程变形均匀，切削余量一致。
3.2 渗碳处理
硬齿面齿轮通常采用渗碳工艺加强齿轮表面的硬度和耐磨性，18CrNiMo7-6低碳合金钢适合进行表面渗碳处理，渗碳处理是将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳目的是为了提高钢件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度，经淬火和低温回火后提高工件表面硬度和耐磨性，使心部保持良好的韧性。公司生产的齿轮采用的是气体渗碳法，生产率高，渗碳过程易控制，渗碳层质量好，劳动条件较好，可实现机械化和自动化。渗碳件淬火后进行低温回火，表面组织为回火低碳马氏体、铁素体和马氏体，具有较高的强度、韧性和塑性。
3.3 磨削加工
磨削加工是齿轮制造过程最后工序，如果的工艺控制措施不当，极易产生磨削裂纹，导致零件超差甚至报废。磨削加工是指用磨料来切除材料的加工方法，按工具类型进行分类，可分为固定磨粒加工和游离磨粒加工两大类。磨削加工是齿轮精加工常采用的加工方式。
4 硬齿面齿轮磨削裂纹产生原因
4.1 锻坯工艺
公司生产的齿轮材料为低碳合金钢18CrNiMo7-6，C的含量在0.15%～0.21%之间，Cr的含量在 1.45%-1.85%，N i的含量在1.35%-1.75%之间， Mo的含量在0.21%-0.39%之间，材料晶粒尺寸达到5级以上。如材质控制不严，在磨削过程中极易导致产生磨削裂纹。
4.2 滚齿工艺
滚齿后如果齿面表面粗糙度不好，余量不均匀，必定造成磨削时齿面受力不均匀，局部位置会产生残余应力集中点，在后续的磨削过程中容易导致产生磨削裂纹。
4.3 热处理工艺
公司齿轮的主要工艺过程：毛坯锻造—正火—车削—滚齿—渗碳—精车—磨齿。硬齿面齿轮磨削裂纹大都是发生在渗碳+淬火+低温回火，其中热处理主要是渗碳处理，渗碳处理包括渗碳和淬火两个过程。热处理不可控因素较多，极易导致齿轮表面的碳化物级别和残余奥氏体超标，在磨削时因受力不均匀而产生磨削裂纹。主要是如下几方面：
（1）残余奥氏体量过多，在磨削过程中残余奥氏体发生马氏体转变，体积膨胀，冷却给予急冷，均会使局部拉应力增加，产生磨削裂纹。
（2）回火不充分，回火温度过低或回火时间不足，影响马氏体中碳含量和马氏体微裂纹焊合或尺寸减小的程度，从而影响马氏体的断裂韧性，磨削时的磨削热产生较大的热应力和组织应力，而产生磨削裂纹。
（3）渗碳淬火热处理产生过大的变形，造成磨削余量不均匀或增大了磨齿余量。
4.4 磨削工艺
（1）高精度的磨床，具有刚性好、振动小，有可靠的微量进给功能，同时与其他振源隔绝，防止外部动的干忧，陈旧的磨齿设备难同时具备所有功能，因此将会使磨削过程中受力不均匀，极易产生磨削裂纹。 （2）砂轮选择不合适，切削要素不合理。
（3）磨削量过大，磨削热引起的热应力会增加裂纹倾向。
（4）冷却不够充分，产生局部烧蚀点，再次磨削后便产生裂纹。
5 防止硬齿面齿轮磨齿裂纹的工艺措施
5.1 锻坯材料工艺措施
（1）坯料应经过钢包精炼、去氧化和真空脱气处理。锻件应无白点、裂纹、折叠、缩孔、严重偏析和影响表面质量的缺陷；同时材料化学成分满足（表1）要求。
（2）根据ISO 643-2003，锻件正火后，对晶粒尺寸进行检测，最终产品的晶粒尺寸应达到5级或更好
（3）锻件采用超声波检测内部缺陷，按GB/T6402-2008满足质量等级三级要求，其中轮齿部分最少两倍于齿深；
5.2 滚齿工艺措施
（1）降低粗滚齿时的齿面表面粗糙度，应控制在Ra3.2左右。对齿面的粗磨阶段，是磨削裂纹形成的关键时刻，绝大部分磨削产生于这个阶段，要特别注意加强控制。
（2）严格控制粗滚齿时的公法线余量，不允许随意加大磨削余量。
（3）在磨齿前必须采取硬齿面的滚切技术对齿面进行刮齿加工，使磨削余量均匀，最大限度减小磨齿余量。
5.3 热处理方面的工艺措施
（1）降低淬火温度：用低碳合金钢18CrNiMo7-6加工的齿轮，在925℃-950℃中渗碳，渗碳后直接淬火，将淬火温度由850℃降至840℃时。
（2）表面碳浓度要适当。碳浓度应控制在0.75%～0.85%范围之内，并且含碳量尽可能控制在下限，这样有利于控制碳化物的大小和形状。
（3）进行充分回火，提高渗碳淬硬表面的塑性，改善表面应力的分布状况，从而降低出现磨削裂纹的机率。
（4）控制奥氏体的数量，防止齿轮在磨削时产生组织转变，而产生较大的组织应力，严格控制残余奥氏体在22%之内。
5.4 磨削工艺措施
砂轮与齿面接触区的平均温度一般为500℃-800℃，磨粒磨削点的温度可达1000℃，且80%以上的热将传入齿轮。由于磨齿时产生的大量磨削热，使齿面磨削区域局部受到很大热应力和热胀冷缩变形，磨削热得不到有效控制时，齿面就容易产生磨削裂纹和磨削烧伤，因此，机加方面工艺措施的重点是放在如何减小和控制磨削热的方面。
（1）对现有磨齿机进行技术改造，隔绝振源，防止外部振动动的干忧；在资金充足的情况下，可考虑购置高精度磨齿设备。
（2）合理选择、搭配切削用量，选择的原则为较高的砂轮转速、较快的冲程，适当的进给.
（3）选择合适砂轮。选择砂轮是磨齿加工中一个重要环节，砂轮选用是否恰当，对磨齿精度和效率有很大影响。对砂轮的硬度、粒度、组织选择的不当，就非常容易出现齿面烧伤和磨削裂纹。原则上磨削硬工件时选用软砂轮，可使磨钝的磨粒快点脱落，以便露出更多尖锐棱角的新磨粒，一则可进一步磨削，二则可减少磨粒与工件的滑擦与刻划，降低切削温度，以防烧伤工件表面，但在精磨或成形磨削时，为了保持砂轮的正确尺寸和形状，应该选用不易脱落的硬砂。根据材料的特性从磨粒、结合剂、硬度、组织、粒度等方面选择合适的砂轮。经验证，铬刚玉砂轮磨削低碳合金钢18CrNiMo7-6齿面效果理想，磨削裂纹产生机理小。
（4）改进冷却措施，提高冷却效果。磨齿机采用展成工作原理进行磨齿，磨削过程是点接触，产生的磨削热由流过砂轮和齿面的强力冷却液带走。通过选择合适的冷却液、过滤装置和泵站，保证干净的冷却液在一定的流量和压力下通过磨削部位，充分带走磨削热，可避免产生磨削裂纹。
6 结束语
通过研究齿轮加工过程中磨削裂纹产生原因、论述不同因素下如何防止产生磨削裂纹的工艺措施，并对已经产生的磨削裂纹的齿轮如何进行制品处理，较好地解决了低碳合金钢18CrNiMo7-6齿轮加工过程中的磨削裂纹的产生。由于齿轮加工过程比较复杂，只要在工作实践中不断学习，不断总结经验，这样才能提高齿轮加工能力。
参考文献
[1] 郁明山.《齿轮手册》.北京：机械工业出版社，2004
[2] 吴序堂.齿轮啮合原理.北京：机械工业出出版社，1982.
[3] 小原敏治.齿轮手册.日本：小原齿轮工业株工会社，平成18.
[关键词]硬齿面磨削、磨削裂纹成因、防止和消除、工艺措施
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0282-02
我单位是以生产超重型矿用车为主的厂家，矿用车上的减速机齿轮为高精度硬齿面重载齿轮，齿轮材料采用18CrNiMo7-6，经渗碳淬火，齿面硬度在58-61HRC，另外要求齿顶修椽和齿向修形，精度为5级，齿轮最终精度由精磨加以保证。在齿轮精磨过程中，齿面的表面质量不高，出现了大量的磨削裂纹，产品质量严重下降，甚至报废，在经济上造成巨大损失。对此，我公司从齿坯材料、热处理和机械加工几个方面，进行了大量的研究工作，将磨削裂纹控制在较低限度，提高产品加工质量，为企业赢得可观的经济效益。
1 硬齿面齿轮的使用工况
为实现减速机稳定可靠的降速增扭功能，以及低噪和温升要求，要求18CrNiMo7-6硬齿面齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根抗弯强度都很高，接触应力和弯曲应力的大小和精度是密切相关的，齿轮的制造和装配误差以及安装误差均会引起齿面和齿根的局部过载，从而影响齿轮实际承载能力。硬齿面齿轮只有在高精度的条件下，其承载能力高的特点才能充分的发挥。由于硬齿面齿轮的跑合性能比软齿面齿轮差得多，所以精度低造成硬齿面齿轮承载能力下降，其后果要比软齿面齿轮严重得多。如果在加工过程再产生磨削裂纹，将会大大缩短齿轮使用寿命。根据以往的工程经验，在齿轮表面和非表面部分，都可能出现材料的局部破裂。齿轮出现的裂纹，按形成特点可分为工艺裂纹和使用裂纹两大类，工艺裂纹是生产齿轮的工艺不当而是造成的材料缺陷所致，并在一定载荷条件下失稳扩展造成齿轮失效，如铸造裂纹、锥轧裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、磨削裂纹等，而使用裂纹是在零件使用过程和环境中产生的，并进而扩展造成齿轮失效，如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹等。此次重点研究工艺裂纹中的磨削裂纹产生原因，并提出相应防止和消除磨削裂纹工艺控制措施。
2 硬齿面齿轮磨削裂纹产生机理
磨削的表面质量包括磨削表面的微观不平度（表面粗糙度）、磨削表面烧伤、表面残余应力及磨削裂纹等。在磨削过程中，如果工艺方法选择不当，当形成的残余应力超过工件材料的强度极限（бb）时，在磨削速度的垂直方向发生微小龟裂，导致工件表面出现裂纹。因此造成裂纹的因素是，磨削表面局部瞬时高温和急剧冷却所造成的热应力。在交变载荷下，微小裂纹会迅速扩展，造成工件表面破坏，出现早期低应力脆性断裂。总之，磨削裂纹是磨削拉应力超过材料断裂强度所致。
3 硬齿面齿轮加工的工艺方法
3.1 粗滚齿
粗滚齿加工过程切削了大量的加工余量，为渗碳热处理和磨削过程作准备，保证后续工艺过程变形均匀，切削余量一致。
3.2 渗碳处理
硬齿面齿轮通常采用渗碳工艺加强齿轮表面的硬度和耐磨性，18CrNiMo7-6低碳合金钢适合进行表面渗碳处理，渗碳处理是将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳目的是为了提高钢件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度，经淬火和低温回火后提高工件表面硬度和耐磨性，使心部保持良好的韧性。公司生产的齿轮采用的是气体渗碳法，生产率高，渗碳过程易控制，渗碳层质量好，劳动条件较好，可实现机械化和自动化。渗碳件淬火后进行低温回火，表面组织为回火低碳马氏体、铁素体和马氏体，具有较高的强度、韧性和塑性。
3.3 磨削加工
磨削加工是齿轮制造过程最后工序，如果的工艺控制措施不当，极易产生磨削裂纹，导致零件超差甚至报废。磨削加工是指用磨料来切除材料的加工方法，按工具类型进行分类，可分为固定磨粒加工和游离磨粒加工两大类。磨削加工是齿轮精加工常采用的加工方式。
4 硬齿面齿轮磨削裂纹产生原因
4.1 锻坯工艺
公司生产的齿轮材料为低碳合金钢18CrNiMo7-6，C的含量在0.15%～0.21%之间，Cr的含量在 1.45%-1.85%，N i的含量在1.35%-1.75%之间， Mo的含量在0.21%-0.39%之间，材料晶粒尺寸达到5级以上。如材质控制不严，在磨削过程中极易导致产生磨削裂纹。
4.2 滚齿工艺
滚齿后如果齿面表面粗糙度不好，余量不均匀，必定造成磨削时齿面受力不均匀，局部位置会产生残余应力集中点，在后续的磨削过程中容易导致产生磨削裂纹。
4.3 热处理工艺
公司齿轮的主要工艺过程：毛坯锻造—正火—车削—滚齿—渗碳—精车—磨齿。硬齿面齿轮磨削裂纹大都是发生在渗碳+淬火+低温回火，其中热处理主要是渗碳处理，渗碳处理包括渗碳和淬火两个过程。热处理不可控因素较多，极易导致齿轮表面的碳化物级别和残余奥氏体超标，在磨削时因受力不均匀而产生磨削裂纹。主要是如下几方面：
（1）残余奥氏体量过多，在磨削过程中残余奥氏体发生马氏体转变，体积膨胀，冷却给予急冷，均会使局部拉应力增加，产生磨削裂纹。
（2）回火不充分，回火温度过低或回火时间不足，影响马氏体中碳含量和马氏体微裂纹焊合或尺寸减小的程度，从而影响马氏体的断裂韧性，磨削时的磨削热产生较大的热应力和组织应力，而产生磨削裂纹。
（3）渗碳淬火热处理产生过大的变形，造成磨削余量不均匀或增大了磨齿余量。
4.4 磨削工艺
（1）高精度的磨床，具有刚性好、振动小，有可靠的微量进给功能，同时与其他振源隔绝，防止外部动的干忧，陈旧的磨齿设备难同时具备所有功能，因此将会使磨削过程中受力不均匀，极易产生磨削裂纹。 （2）砂轮选择不合适，切削要素不合理。
（3）磨削量过大，磨削热引起的热应力会增加裂纹倾向。
（4）冷却不够充分，产生局部烧蚀点，再次磨削后便产生裂纹。
5 防止硬齿面齿轮磨齿裂纹的工艺措施
5.1 锻坯材料工艺措施
（1）坯料应经过钢包精炼、去氧化和真空脱气处理。锻件应无白点、裂纹、折叠、缩孔、严重偏析和影响表面质量的缺陷；同时材料化学成分满足（表1）要求。
（2）根据ISO 643-2003，锻件正火后，对晶粒尺寸进行检测，最终产品的晶粒尺寸应达到5级或更好
（3）锻件采用超声波检测内部缺陷，按GB/T6402-2008满足质量等级三级要求，其中轮齿部分最少两倍于齿深；
5.2 滚齿工艺措施
（1）降低粗滚齿时的齿面表面粗糙度，应控制在Ra3.2左右。对齿面的粗磨阶段，是磨削裂纹形成的关键时刻，绝大部分磨削产生于这个阶段，要特别注意加强控制。
（2）严格控制粗滚齿时的公法线余量，不允许随意加大磨削余量。
（3）在磨齿前必须采取硬齿面的滚切技术对齿面进行刮齿加工，使磨削余量均匀，最大限度减小磨齿余量。
5.3 热处理方面的工艺措施
（1）降低淬火温度：用低碳合金钢18CrNiMo7-6加工的齿轮，在925℃-950℃中渗碳，渗碳后直接淬火，将淬火温度由850℃降至840℃时。
（2）表面碳浓度要适当。碳浓度应控制在0.75%～0.85%范围之内，并且含碳量尽可能控制在下限，这样有利于控制碳化物的大小和形状。
（3）进行充分回火，提高渗碳淬硬表面的塑性，改善表面应力的分布状况，从而降低出现磨削裂纹的机率。
（4）控制奥氏体的数量，防止齿轮在磨削时产生组织转变，而产生较大的组织应力，严格控制残余奥氏体在22%之内。
5.4 磨削工艺措施
砂轮与齿面接触区的平均温度一般为500℃-800℃，磨粒磨削点的温度可达1000℃，且80%以上的热将传入齿轮。由于磨齿时产生的大量磨削热，使齿面磨削区域局部受到很大热应力和热胀冷缩变形，磨削热得不到有效控制时，齿面就容易产生磨削裂纹和磨削烧伤，因此，机加方面工艺措施的重点是放在如何减小和控制磨削热的方面。
（1）对现有磨齿机进行技术改造，隔绝振源，防止外部振动动的干忧；在资金充足的情况下，可考虑购置高精度磨齿设备。
（2）合理选择、搭配切削用量，选择的原则为较高的砂轮转速、较快的冲程，适当的进给.
（3）选择合适砂轮。选择砂轮是磨齿加工中一个重要环节，砂轮选用是否恰当，对磨齿精度和效率有很大影响。对砂轮的硬度、粒度、组织选择的不当，就非常容易出现齿面烧伤和磨削裂纹。原则上磨削硬工件时选用软砂轮，可使磨钝的磨粒快点脱落，以便露出更多尖锐棱角的新磨粒，一则可进一步磨削，二则可减少磨粒与工件的滑擦与刻划，降低切削温度，以防烧伤工件表面，但在精磨或成形磨削时，为了保持砂轮的正确尺寸和形状，应该选用不易脱落的硬砂。根据材料的特性从磨粒、结合剂、硬度、组织、粒度等方面选择合适的砂轮。经验证，铬刚玉砂轮磨削低碳合金钢18CrNiMo7-6齿面效果理想，磨削裂纹产生机理小。
（4）改进冷却措施，提高冷却效果。磨齿机采用展成工作原理进行磨齿，磨削过程是点接触，产生的磨削热由流过砂轮和齿面的强力冷却液带走。通过选择合适的冷却液、过滤装置和泵站，保证干净的冷却液在一定的流量和压力下通过磨削部位，充分带走磨削热，可避免产生磨削裂纹。
6 结束语
通过研究齿轮加工过程中磨削裂纹产生原因、论述不同因素下如何防止产生磨削裂纹的工艺措施，并对已经产生的磨削裂纹的齿轮如何进行制品处理，较好地解决了低碳合金钢18CrNiMo7-6齿轮加工过程中的磨削裂纹的产生。由于齿轮加工过程比较复杂，只要在工作实践中不断学习，不断总结经验，这样才能提高齿轮加工能力。
参考文献
[1] 郁明山.《齿轮手册》.北京：机械工业出版社，2004
[2] 吴序堂.齿轮啮合原理.北京：机械工业出出版社，1982.
[3] 小原敏治.齿轮手册.日本：小原齿轮工业株工会社，平成18.