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某公司生產的材質為20CrNi2MoA的太陽輪，在最后一道磨齒工序后發現數個齒面上存在裂紋，委托我中心進行原因分析。該齒輪的生產流程：下料→毛坯→鍛造→開齒→滲碳→淬火+回火→噴丸→磨齒。

1.理化檢驗

（1）宏觀分析

出現裂紋的太陽輪見圖1，裂紋出現在左側的大輪輪齒上，裂紋的形貌見圖2，從圖中可以看出，主裂紋位于齒根處，平行于磨削的方向，其中有多條裂紋在與主裂紋垂直，形成倒“T”字裂紋形貌。

（2）磁彈儀檢測

對太陽輪上存在裂紋的輪齒利用磁探儀進行檢測，檢測結果見圖3。因檢測探頭為手持移動，為提高檢測的準確性進行了多次檢測。

從檢測檢結果可以看出，三條曲線的走向基本一致，出現的鋸齒形波動為齒面存在裂紋的緣故。三次檢測的MP值最高都在470左右，平均值在270左右。通過以往大量的試驗數據積累分析，認為該種材質齒面發生燒傷的臨界MP值為50，從檢測結果可知，該齒面的MP值已遠遠大于該臨界值，初步認為該齒面發生了嚴重的回火燒傷。

（3）化學成分分析

在輪齒試樣的中心部分取樣進行化學成分分析，分析結果及20CrNi2MoA鋼的標準成分見表1。

表1  輪齒化學成分（質量分數）（%）

從表1可以看出，該齒輪的化學成分滿足20CrNi2MoA鋼標準要求，該齒輪材料化學成分合格。

（4）金相分析

首先，非金屬夾雜物檢測。在圖2紅色方框處取金相試樣，經磨制、拋光后觀察，依照《GB/T10561-2005》A法對試樣進行非金屬夾雜物評級，結果見表2，夾雜物級別滿足標準要求。

表2  非金屬夾雜物評級結果

其次，組織分析。試樣拋光后，在顯微鏡下觀察，裂紋開口端粗大，尾部尖細，屬于應力型裂紋。裂紋源位于齒表面，沿次表面向齒根處擴展，裂紋最深處約1.0mm，如圖4所示。

將試樣經4%硝酸酒精溶腐蝕后，在齒的兩邊節圓下方都出現呈弧形的黑色區域，說明齒輪兩側均發生了燒傷，只有一側發生了開裂，并且有黑色區域即回火區被裂紋圍繞，說明裂紋的產生與此區域的組織發生轉變存在一定的關聯，如圖5所示。在顯微鏡下觀察，裂紋兩側無氧化脫碳現象，裂紋附近組織為回火托氏體；滲層組織為針狀馬氏體+顆粒狀碳化物+殘留奧氏體，按照技術要求的標準《JB/T6141.3-1992重載齒輪金相檢驗》對馬氏體進行評級，針狀馬氏體：5級，滿足標準的要求；未發現網狀碳化物等異常組織；齒輪心部組織為貝氏體和針狀鐵素體；見圖6~圖8所示。

（5）顯微硬度檢測

在齒輪試樣的正常區和燒傷區分別進行有效硬化層檢測，測試結果見圖9。從圖9中可以得出，該齒輪的有效硬化層深為2.5mm，滿足技術要求（1.6~2.5mm）；與正常區相比，燒傷區表面硬度偏低，從表層到心部硬度的分布為先升高再降低，該分布形態主要是因為表面發生了高溫回火導致表面硬度下降；該檢測結果也再次證實齒輪表面發生了回火燒傷。

（6）殘余應力檢測

采用Xstress3000X射線應力分析儀對齒輪表面燒傷區域進行殘余應力檢測，通過電解拋光的方式進行剝層，從而得出磨削燒傷后齒輪近表層殘余應力的分布情況（備注：“+”表示拉應力；“-”表示壓應力）見圖10。從圖中可以看出燒傷齒輪的近表面分布的均為拉應力，且在距齒表面100μm處出現最大值，然后隨著深度的增加應力逐漸下降。資料顯示，鋼件滲碳后，表面與心部因含碳量的差別導致的比容變化和馬氏體轉變點溫度的差別等原因，會造成鋼件表面分布一定深度的壓應力，以提高其疲勞強度。正常情況下，該滲層深度的滲碳齒輪齒表面的應力水平一般在-500MPa左右，但該齒輪的檢測結果表明，由于齒面發生了回火燒傷，使齒面近表層的原有的應力狀態發生了不利的轉變，呈現出拉應力狀態。

2.原因分析

通過以上理化檢驗可知，齒輪鋼的化學成分、夾雜物等材質方面均符合標準要求，但是齒輪在磨削的過程中發生了回火燒傷，并由此引發了裂紋的產生。

磨削燒傷的發生是由磨削熱造成的，當產生的磨削熱量不能被及時帶走，齒面的瞬時溫度超過該齒輪的回火溫度，會導致輪齒表面的硬度下降，形成燒傷。該齒輪磨削采用成型磨的方法，即用CNC將砂輪修整成齒輪齒槽漸開線形狀，磨削工件形成漸開線。該方法的優點是砂輪與工件的接觸面大，單位面積承受的力較小，而且均載；同時也有缺點，即成型磨一般都是兩面同時磨削，砂輪與兩個齒面同時接觸，由于齒槽在加工前留有余量和變形所以相對較窄，且磨削時切削量較大，不利于齒面散熱。在磨削過程時，當出現切削量過大、冷卻液噴射位置偏差和砂輪修形稍有不當，都會造成輪齒表面被瞬時加熱而發生燒傷。

正常情況下，齒輪在淬火加低溫回火后，其表面正常組織是回火馬氏體和少量殘余奧氏體，當齒輪的表面發生回火后，回火馬氏體轉變為回火托氏體，較原來的回火馬氏體相比，比容會減小，體積會收縮，由于基體的約束，在燒傷區域以及與正常區域的過渡區均會產生拉應力；另外該區域在冷卻液的激冷作用下，也會產生一定的熱應力。因此，在磨削過程中，一旦因磨削不當齒面過熱而產生此類缺陷，該區域及周圍的應力狀態會發生反轉，再加之高速磨削時的滾壓應力，當上述各類應力的疊加總應力超過齒輪材質的極限強度時，便導致產生磨削裂紋，并沿著最薄弱區域延伸。這也是裂紋圍繞著回火燒傷區域而產生的原因。

3.結論

齒輪的裂紋是磨削工藝不當造成的磨削裂紋。齒輪在磨削過程中，發生了嚴重的回火燒傷，造成燒傷區域及邊緣區域產生拉應力，再加之磨削力的作用影響下產生磨削裂紋。

4.建議

（1）改進對中性，避免第一次磨削量過大造成燒傷，保證機床測量的磨削余量準確，并給出一定的安全余量。

（2）優化磨削參數，增加砂輪的轉速和減小進刀量能大大地降低磨削燒傷的風險。

（3）選擇合適的砂輪和修正參數，并及時修正砂輪。

（4）嚴格執行熱處理工藝，采用多次低溫回火或冷處理能有效降低磨削裂紋的發生率。