齿轴表面磁粉积聚原因分析及预防

■陈亮，吴刚，谭小明，吴国庆，李平平

摘要：采用化学成分分析、显微维氏硬度测试、金相显微镜等方法对齿轴花键处及轴身磁粉积聚现象进行了分析。主要原因和预防措施如下：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于硫化物夹杂引起的；消除齿轴花键处磨削裂纹可通过选用合适的砂轮、切削液、磨削参数等来实现；消除齿轴轴身处磁粉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；在该齿轴上运用这些预防措施已经取得了很好的应用效果。

关键词：齿轴；磁粉积聚；原因分析；预防措施

齿轮轴是一种重要的传动件，在其生产工序的末端，需要进行磁粉检测，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→超声波检测→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→磁粉检测，磁粉检测时发现11件产品轴身表面出现磁粉积聚现象，其中送检的齿轴T形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）磁粉检测 齿轴宏观形貌如图1所示，轴长约为300mm，轴身直径约为60mm；磁粉检测结果如图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。

图1 齿轴宏观形貌

图2 磁痕积聚形貌

（2）化学成分分析 在齿轴心部取样进行化学成分分析，结果见附表，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。

（3）金相检验 在T形花键磁痕处取样，制样抛光后观察横截面，发现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，表面及近表层无夹杂、疏松等缺陷，但表层和近表层多处存在硫化物夹杂。因此，在磁粉检测时，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。

3. 齿轴表面磁粉积聚原因分析及预防措施

（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，但利用磁粉检测则很容易探出。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[1]。

齿轴化学成分（质量分数）分析结果 （%）

Si Mn P S Cr Mo 0.23 0.33 1.18 0.015 0.001 1.39 0.27 C

图3 花键横截面抛光态形貌（50×）

图4 花键横截面组织（100×）

图5 轴身横截面抛光态形貌 （200×）

图6 轴身表面组织

图7 非金属夹杂物（100×）

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、残留奥氏体时，或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，而工件表面受到切削液喷淋而收缩，但工件内层因温度升高产生膨胀，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，就可能在表面形成磨削裂纹。

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切削液要过滤好，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。

（2）齿轴轴身磁粉积聚原因分析及预防措施 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，其会造成应力集中，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，这是一种宏观缺陷，属于裂纹类缺陷中的线状缺陷[2]。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，没有很好地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[3]。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，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，提高齿轴的终锻温度，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、切削液、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。

参考文献：

[1] 王学东，张询.渗碳淬火齿轮磨削裂纹原因分析[J].金属加工（热加工），2009（7）：55-56.

[2] 袁文明.航空用钢发纹检验与评定标准综述[J].航空标准化与质量，2010，240（6）：43-46.

[3] 刘秀莲，班军，罗燕.磁粉探伤检测中轴承套圈线性磁痕的形成原因[J].哈尔滨轴承，2015，36（2）：10-12.

20170116

作者简介：陈亮、吴刚、谭小明、吴国庆、李平平，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司。