磨削裂纹的产生机理和防止浅探
[摘 要]：碳素工具钢和渗碳淬火钢在磨削时，经常出现磨削裂纹影响制造产品的质量，本文从金属材料的金相组织和磨削工艺的角度，探讨了磨削裂纹产生的机理及其防止。
[主题词]：磨削裂纹 机理 防止
经热处理淬火的碳素工具钢和渗碳淬火钢零件，在磨削时与磨削方向基本垂直的表面常常出现大量的较规则排列的裂纹——磨削裂纹，它不但影响零件的外观，更重要的是还直接影响零件的质量。
1、磨削裂纹的产生机理
磨削裂纹产生的主要原因是磨削热。
磨削时，零件表面的温度可能高达820～840℃或更高。磨削面和非磨削面之间存在着较大的温度梯度，进而引起不同的应力分布。淬火钢的组织是马氏体和一定数量的残余奥氏体，处于膨胀状态(未经回火处理尤为严重)。如果将其表面快速加热至100℃左右并迅速冷却时，必然将产生收缩。这种收缩仅发生在表面，其基体仍处于膨胀状态，使表面层承受拉应力作用导致微裂纹产生，这是第一种裂纹。当温度升至300℃时，表面再次产生收缩，从而产生第二种裂纹。马氏体的膨胀收缩随着钢中含碳量的增加而增大，故碳素工具钢和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。
淬火钢中的残余奥氏体，在磨削时受磨削热的影响即发生分解，逐渐转变为马氏体，这种新生的马氏体集中于表面，引起零件局部体积膨胀，加大了零件表面应力，导致磨削应力集中，继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生；此外，新生的马氏体脆性较大，磨削也容易加速磨削裂纹的产生。
另一方面，在磨床上磨削工件时，对工件既是压力，又是拉力，助长了磨削裂纹的形成。如果在磨削时冷却不充分，则由于磨削而产生的热量，足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火成为淬火马氏体。因而使表面层产生附加的组织应力，再加上磨削所形成的热量使零件表面的温度升高极快，这种组织应力和热应力的迭加就可能导致磨削表面出现磨削裂纹。
2、磨削裂纹的特征
磨削裂纹与一般淬火裂纹明显不同，磨削裂纹只发生在磨削面上，深度较浅，且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向的平行线，且规则排列的条状裂纹，这是第一种裂纹。较严重的裂纹显龟甲状(封闭网络状)，其深度大致为0.03-0.15mm。用酸腐蚀，裂纹明显易见。这是第二种裂纹。
3、磨削裂纹的防止措施
3.1 磨削工艺方面
3.1.1 磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。一般所采用的湿磨法，无论如何注入切削液，切削液都不可能在磨削的同时进入磨削面，因而无法降低磨削点位置的磨削热。切削液只能是使砂轮和零件的磨削点在磨削走过后瞬时受到冷却，同时切削液对零件的磨削点起淬火作用，因而事实上加大了磨削裂纹的产生。如果采用于磨法，背吃刀量选择较浅的磨法，可减少磨削裂纹。但是这种方法效果不是很显著，而且灰尘飞扬，影响工作环境，不宜采用。
3.1.2 选用硬度较软、粒度较粗的砂轮来磨削，可以降低磨削热。但如果粒度太粗时会影响工件的表面粗糙度。对于表面粗糙度质量要求高的工件，不能采用此法，因而受到一定的限制。
3.1.3 分粗精磨，即粗磨选用粒度较粗的软砂轮磨削，便于强力磨削，提高效率，然后再用粒度细的砂轮进行精磨(背吃刀量较浅)。分开两台磨床进行粗磨和精磨，这是一种比较理想的方法。
3.1.4 刚出炉的工件，必须待工件自然冷却后(冷却到常温)才能进行磨削。如果在时间允许的情况下，最好让工件自然时效1～2个月，消除应力后再进行磨削，这也会收到很好的效果。
3.1.5 选用粒度较为锋利的砂轮，PA36～46K，及时清除砂轮表面积屑，减少背吃刀量，增加走刀(磨削)次数，减小工作台速度，取＜=1～2m/min，也是一种有效的减少磨削裂纹的途径。
3.2 热处理方面
从以上分析知道，产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力，应进行去应力回火即淬火后马上进行回火处理。
第一种磨削裂纹是工件在快速加热至100℃左右，并迅速冷却而产生的。所以，要防止这第一种磨削裂纹，工件应在150～200℃左右回火。第二种磨削裂纹是工件在磨削中继续升温至300℃时，表面再次产生收缩而产生的。所以，为防止这第二种磨削裂纹，则应将工件在300℃左右回火。回火时间必须在4h以上，应该注意工件在300℃回火时会使工件硬度下降，有时不宜采用。有时经过一次回火后仍可能产生磨削裂纹，这时可以进行二次回火或人工时效，这个方法非常有效。
如果零件硬度要求不高，而零件外观表面要求较高时，可以将回火温度提高到400℃以上回火，即调质处理，这时零件表面不会再出现磨削裂纹现象。
3.3 在零件材质方面
当零件硬度要求较高而不能在300℃以上回火时，便要在零件材质上想办法。在前面分析中我们知道，马氏体的膨胀收缩率随着钢中含碳量的增加而增大，故碳素工具钢(T8以上)和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。所以，当零件硬度和表面外观质量均要求较高时，便不能选用碳素工具钢和渗碳淬火钢，而应选用诸如lCrl3、16Mn等钢种。对于零件表面外观质量要求较高，而零件又是急件时，在时间上不允许自然时效l～2个月(出炉后的零件)；或者因磨削工艺方面受到限制：如使用砂轮方面受到限制、磨床数量少，零件磨削工作量大等因素而无法分开磨床来粗精磨；或者由于车间工人环境清洁优美，也不便于采用干磨法等。这时只能在零件材质上考虑，只能选用含碳量低的lCrl3、40Cr等钢种，而不可能选用T8以上的碳素工具钢或渗碳淬火钢。
总之，只要在磨削工艺方面、零件热处理方面和零件材质方面综合考虑，便可以有效地防止磨削裂纹的产生。
作者简介： 黄如杭，1968年生，1991年毕业于淮南矿业学院，在淮南矿业集团机械公司工作工程师 主要从事机械设计和制造等工作。E-mail:hrh9008@yahoo.com.cn
参考文献：
[1] 史美堂 主编《金属材料及热处理》上海科学技术出版社
[2] 邓文英 主编《金属工艺学》高等教育出版社
[3] 机械工程师手册编辑委员会 编《中国工程师手册（机械类）》（中）82年四版
