張 宇,梁國(guó)星,張 浩,郝建宇,程 強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引 言

磨削硬化是20世紀(jì)90年代新出現(xiàn)的一種復(fù)合加工技術(shù),利用磨削熱對(duì)可淬硬鋼表面進(jìn)行加熱,并利用工件基體的快速自冷卻及磨削力的綜合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)材料表面硬化的新工藝。該工藝可以顯著提高工件表面硬度和耐磨性,達(dá)到了與表面硬化處理相同的性能[1]。該技術(shù)將磨削技術(shù)與熱處理技術(shù)很好地結(jié)合在一起,符合工程中日益倡導(dǎo)的過(guò)程集中和綠色制造的理念,發(fā)展?jié)摿艽蟆Ｄハ饔不Ч峭ㄟ^(guò)磨削硬化層來(lái)實(shí)現(xiàn)的,磨削硬化層的性能隨顯微組織的不同而不同。

大量實(shí)驗(yàn)研究了磨削硬化過(guò)程中硬化層的形成機(jī)理。結(jié)果表明,與常規(guī)淬火方法相比,磨削硬化工藝可以產(chǎn)生磨削硬化層,其組織為細(xì)小馬氏體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段對(duì)于磨削硬化國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,并取得了若干創(chuàng)新成果。劉菊東[2-3]對(duì)40Cr、65Mn鋼進(jìn)行了磨削硬化實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明在磨削溫度和應(yīng)力的綜合作用下,完全硬化區(qū)硬度與基體相比提高了2.2倍。硬化層中奧氏體從表面到里層逐漸細(xì)化,其組織形貌呈現(xiàn)由細(xì)到粗再到細(xì)的規(guī)律;ORTEGA N[4]對(duì)AISI 1045鋼磨削硬化過(guò)程進(jìn)行了建模并通過(guò)磨削硬化試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了校正。研究表明,可以通過(guò)在與磨削加工表面平行的表面施加熱源來(lái)模擬磨削硬化過(guò)程;ZARUDI I[5]針對(duì)AISI 4140鋼研究了磨削硬化層組織的形成以及磨削淬硬層的摩擦磨損與彎曲疲勞性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磨削淬硬層是在溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下形成的,磨削硬化層表面以下5 μm～6 μm處有細(xì)小的針狀馬氏體組織結(jié)構(gòu),并且磨削淬硬層中馬氏體結(jié)構(gòu)的尺寸由表及里逐漸增大。綜上所述,磨削硬化已受到廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注,文章系統(tǒng)地研究了磨削硬化層組織變化,分析了硬化層硬度均勻性以及磨削參數(shù)對(duì)硬化層硬度的影響,為磨削硬化加工提供了理論依據(jù)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在磨削硬化領(lǐng)域已有了一些研究進(jìn)展,但大多集中于白剛玉、棕剛玉砂輪[6-8]。CBN砂輪具有高硬度、耐高溫、磨削性能好等優(yōu)良特征,在GCr15產(chǎn)品加工時(shí),為同時(shí)兼顧其加工質(zhì)量和加工效率,有必要開(kāi)展磨削硬化加工。

本文采用電鍍CBN砂輪對(duì)GCr15鋼進(jìn)行磨削硬化實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析磨削條件對(duì)于磨削硬化層的影響,并探究影像磨削硬化層均勻性的主要因素。

1 平面磨削試驗(yàn)

試驗(yàn)用樣件材料為退火態(tài)GCr15鋼,初始硬度為212 HV。

GCr15鋼化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(%))

GCr15鋼微觀組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GCr15鋼微觀組織結(jié)構(gòu)

退火態(tài)GCr15鋼在磨削前內(nèi)部組織為鐵素體、珠光體、碳化物的混合結(jié)構(gòu),從圖1可以看出試件通過(guò)球化退火,球粒狀碳化物大量分布在鐵素體基體上,從而降低了表面硬度,改善了工件的切削性能,并且淬火時(shí)不易造成過(guò)熱現(xiàn)象[9]。

筆者用MV-40數(shù)控加工中心對(duì)GCr15鋼進(jìn)行磨削硬化試驗(yàn),采用電鍍CBN砂輪,直徑100 mm,磨粒粒度200#,磨削方式為干磨與切入式逆磨。磨削后用電火花線(xiàn)切割機(jī)切取試件,用粒度不同的砂紙打磨并拋光,使試件表面呈鏡面狀,然后用4%硝酸酒精溶液侵蝕,最后用無(wú)水乙醇清洗以去除表面污物。采用暗場(chǎng)顯微鏡觀察表面微觀組織,使用硬度檢測(cè)儀對(duì)硬度進(jìn)行觀察與研究。

試驗(yàn)過(guò)程中采用的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨削表面組織分析

GCr15鋼磨削硬化層組織分布如圖2所示。

圖2為2號(hào)工件磨削硬化層的微觀組織分布。通常認(rèn)為GCr15鋼淬火后的顯微組織常由黑、白相間的兩種馬氏體區(qū)域所組成,結(jié)合圖1,磨削后工件表面形貌與磨削前有明顯差異。從原理上分析,主要是由于在磨削過(guò)程中,工件磨削表面受到大量磨削熱導(dǎo)致溫升,使工件表面形貌發(fā)生改變。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,工件硬化層可分3個(gè)部分，即:完全硬化區(qū)、過(guò)渡區(qū)和基體。在GCr15鋼的磨削過(guò)程中,當(dāng)磨削表面溫度超過(guò)工件相變溫度時(shí),工件原始組織發(fā)生相變,經(jīng)自我快速冷卻后形成完全硬化層,完全硬化層由細(xì)小馬氏體、分布在馬氏體基體上的白色球狀碳化物和少量殘留奧氏體組成[10]。完全硬化層與基體之間因?yàn)闇囟刃》认魅醯脑虺霈F(xiàn)過(guò)渡層,過(guò)渡層的組織由部分馬氏體、鐵素體和碳化物組成[11]。基體組織在硬化過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變。由于磨削力的作用,基體中的鐵素體出現(xiàn)嚴(yán)重的斷裂。

圖2 磨削硬化層組織分布

2.2 硬化層硬度均勻性及分析

通過(guò)表面磨削實(shí)驗(yàn),筆者用HMV-G顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定了1號(hào)至6號(hào)工件表面不同位置的顯微硬度。

硬度測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 硬度測(cè)量結(jié)果(HV 0.5)

由表3可以看出：磨削后工件表面硬度沿寬度方向變化不明顯。這表明在工件表面的寬度方向上,熱量的傳遞是相對(duì)均勻的;沿砂輪進(jìn)給方向,也就是磨削方向,硬度有逐漸變大的趨勢(shì)?？梢哉J(rèn)為,工件表面硬度沿磨削方向的存在一定的規(guī)律性升高,但是硬度變化并不明顯。針對(duì)這種現(xiàn)象,筆者只處理沿磨削方向硬度的測(cè)量數(shù)據(jù),而忽略沿寬度方向硬度分布的數(shù)據(jù);進(jìn)而由于工件表面馬氏體呈隨機(jī)分布,原始組織不均勻,造成數(shù)據(jù)分布離散,故將結(jié)果優(yōu)化。

硬度測(cè)量?jī)?yōu)化結(jié)果如表4所示。

分析表4數(shù)據(jù),砂輪剛進(jìn)入切入?yún)^(qū),產(chǎn)生的磨削熱少,所以切入?yún)^(qū)的硬化層硬度相對(duì)較低。在磨削的中間區(qū)硬度的變化相對(duì)緩慢,這是因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域內(nèi)磨削溫度變化小,傳入這段區(qū)域得到熱量大致相同,在這段長(zhǎng)度內(nèi)硬度具有較高的一致性。在切出區(qū),由于范圍的限制,熱源積累的時(shí)間增加,磨削產(chǎn)生的熱只能向工件里傳導(dǎo),造成溫度的快速升高從而影響磨削硬化的效果。總體來(lái)看,硬度沿著磨削加工的方向呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)。

表4 硬度優(yōu)化結(jié)果(HV 0.5)

綜上所述,工件沿長(zhǎng)度方向上的受熱不均勻是影響硬化層均勻性的重要原因[12]。在磨削硬化過(guò)程中,工件表面硬度值基本保持在穩(wěn)定狀態(tài),高于512 HV要求的表面硬度。由此可知,1號(hào)至5號(hào)工件均實(shí)現(xiàn)了磨削硬化,并出現(xiàn)了硬化層。

從微觀組織分析原因,工件在磨削硬化加工過(guò)程中,珠光體在Ac1～Ac3溫度范圍內(nèi)首先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,但由于磨削時(shí)間和溫度的限制,導(dǎo)致奧氏體成分呈現(xiàn)不均勻性,這種不均勻的奧氏體可能導(dǎo)致馬氏體中的碳含量高于鋼在磨削硬化層局部區(qū)域的平均碳含量。由于碳含量是影響硬度的主要因素,最終硬化層表面硬度呈現(xiàn)出不均勻的特征。另外,在磨削過(guò)程中,試件中仍有一些未溶解的滲碳體,即殘余碳化物,會(huì)影響磨削硬化層硬度均勻性,并且工件材料中原始組織中的分布不均勻也會(huì)導(dǎo)致硬度分布不均勻[13]。

2.3 磨削參數(shù)對(duì)硬化層硬度的影響

2.3.1 磨削深度對(duì)硬化層硬度的影響

對(duì)比1、2、3號(hào)工件不同深度得到的磨削深度對(duì)顯微硬度的影響如圖3所示。

圖3 磨削深度對(duì)顯微硬度的影響

從圖3中可以看出:試件表面硬度隨著磨削深度的增加而增加。這是由于磨削深度的增加,使得磨料與工件之間的摩擦和壓縮增大。此外,磨削比高,在加工過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致磨削區(qū)溫度較高。磨削比能高,熱量大,導(dǎo)致磨削區(qū)溫度高。因此,工件表面的奧氏體轉(zhuǎn)變完成,馬氏體的形成量也隨之增加。然后,工件表面硬度最終提高。

2.3.2 工件進(jìn)給速度對(duì)硬化層硬度的影響

對(duì)比2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)不同進(jìn)給速度對(duì)顯微硬度的影響如圖4所示。

圖4 工件進(jìn)給速度對(duì)顯微硬度的影響

由圖4可知:隨著進(jìn)給速度的增加,表面硬度增加。這是由于進(jìn)給速度的增加,使得磨削熱在工件表面停留的時(shí)間縮短。進(jìn)入工件的熱量減少導(dǎo)致硬化層深度降低。與此同時(shí),奧氏體的相變時(shí)間縮短,且隨著進(jìn)給速度的增加,奧氏體的形成尺寸變小工件表面。馬氏體轉(zhuǎn)變后,當(dāng)進(jìn)給速度較低時(shí),馬氏體晶粒尺寸明顯減小,使表面硬度增大略有增加。

2.4 硬化層深度方向硬度分布

No.2號(hào)工件沿深度方向硬度分布如表5所示。

由表5可知:表面硬度隨著離表面距離的增加而減小,呈非線(xiàn)性變化。

表5 No.2工件沿深度方向硬度分布

由表5所作對(duì)照?qǐng)D沿深度方向硬度分布如圖5所示。

圖5 No.2工件沿深度方向硬度分布

由圖5可知:在離工件表面0～0.1 mm的位置,硬度變化緩慢,梯度沒(méi)有明顯下降。離工件表面距離再大,硬度迅速下降,最終達(dá)到工件基體硬度。根據(jù)硬度的變化,將磨削層分為高硬度區(qū)、硬度下降區(qū)和低硬度區(qū)。這一變化的原因是內(nèi)部溫度電導(dǎo)率使得不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)彼此不同。結(jié)合圖2,3個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)為完全硬化區(qū)、過(guò)渡區(qū)和基體。

磨削硬化工藝要求硬化層硬度應(yīng)大于512 HV。因此,本文確定硬度大于512 HV的區(qū)域?yàn)橛不瘜?。從圖5可以看出,隨著距離表面的距離增加,工件的硬度逐漸降低。本文得出磨削硬化層的總深度為0.12 mm。

3 硬化層的主動(dòng)控制

研究表明,硬化層硬度對(duì)工件表面完整性的影響至關(guān)重要,因此,硬化層硬度的控制是目前磨削硬化技術(shù)的關(guān)鍵。

根據(jù)上述試驗(yàn)可以得出,要得到高硬度的磨削層,可以通過(guò)增加CBN砂輪磨削的深度和工件的進(jìn)給速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在硬化層均勻性分析實(shí)驗(yàn)中可以看到,沿磨削方向,硬度有逐漸變大的趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著磨削的進(jìn)行,磨削熱和磨削力急劇增加,導(dǎo)致工件表面溫度瞬間增加,組織開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。奧氏體通過(guò)工件本身的冷卻產(chǎn)生馬氏體,工件與空氣之間的熱流交換和工件內(nèi)部的導(dǎo)熱影響著工件的冷卻速率。

通過(guò)分析可知,冷卻速率也是影響硬化層硬度的主要原因,且表面硬度隨冷卻速率的增加而增加。因此也可以通過(guò)控制冷卻速率來(lái)控制硬化層的硬度。

綜上所述,可以人為控制增加磨削深度和增加進(jìn)給速度來(lái)提升硬化層硬度,還可以通過(guò)加快工件的冷卻速率來(lái)提升硬化層的硬度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)GCr15鋼進(jìn)行了磨削硬化實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了磨削條件對(duì)于磨削硬化層的影響,并探究了影像磨削硬化層均勻性的主要因素。主要結(jié)論如下:

(1)磨削后觀察工件表面微觀組織。根據(jù)組織的分布,將工件分為完全硬化區(qū)、過(guò)渡區(qū)和基體區(qū)。完全硬化區(qū)由細(xì)小馬氏體、白色顆粒狀碳化物和少量殘留奧氏體組成。過(guò)渡區(qū)的組織部分由針狀馬氏體、鐵素體和碳化物組成?；w組織在硬化過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變。由于磨削力的作用,基體中的鐵素體出現(xiàn)嚴(yán)重的斷裂;

(2)磨削后,工件表層出現(xiàn)磨削硬化層。磨削后工件表面硬度沿寬度方向變化不明顯,表面硬度沿磨削方向分布存在一定的不均勻現(xiàn)象。主要原因是由于磨削時(shí)間和溫度的限制,導(dǎo)致工件微觀組織的轉(zhuǎn)變不均勻,且工件材料中原始組織中的分布不均勻也會(huì)導(dǎo)致硬度分布不均;

(3)硬化層硬度隨磨削深度和進(jìn)給速度的增加而增加。可以人為控制增加磨削深度和增加進(jìn)給速度來(lái)提升硬化層硬度,加快工件冷卻速率也可以提升硬化層硬度。硬化層硬度隨工件表面深度的增加而降低,試驗(yàn)結(jié)果表明,硬化層深度大致為0.12 mm。