某公司生产的材质为20CrNi2MoA的太阳轮，在最后一道磨齿工序后发现数个齿面上存在裂纹，委托我中心进行原因分析。该齿轮的生产流程：下料→毛坯→锻造→开齿→渗碳→淬火+回火→喷丸→磨齿。

1.理化检验

（1）宏观分析

出现裂纹的太阳轮见图1，裂纹出现在左侧的大轮轮齿上，裂纹的形貌见图2，从图中可以看出，主裂纹位于齿根处，平行于磨削的方向，其中有多条裂纹在与主裂纹垂直，形成倒“T”字裂纹形貌。

（2）磁弹仪检测

对太阳轮上存在裂纹的轮齿利用磁探仪进行检测，检测结果见图3。因检测探头为手持移动，为提高检测的准确性进行了多次检测。

从检测检结果可以看出，三条曲线的走向基本一致，出现的锯齿形波动为齿面存在裂纹的缘故。三次检测的MP值最高都在470左右，平均值在270左右。通过以往大量的试验数据积累分析，认为该种材质齿面发生烧伤的临界MP值为50，从检测结果可知，该齿面的MP值已远远大于该临界值，初步认为该齿面发生了严重的回火烧伤。

（3）化学成分分析

在轮齿试样的中心部分取样进行化学成分分析，分析结果及20CrNi2MoA钢的标准成分见表1。

表1  轮齿化学成分（质量分数）（%）

从表1可以看出，该齿轮的化学成分满足20CrNi2MoA钢标准要求，该齿轮材料化学成分合格。

（4）金相分析

首先，非金属夹杂物检测。在图2红色方框处取金相试样，经磨制、抛光后观察，依照《GB/T10561-2005》A法对试样进行非金属夹杂物评级，结果见表2，夹杂物级别满足标准要求。

表2  非金属夹杂物评级结果

其次，组织分析。试样抛光后，在显微镜下观察，裂纹开口端粗大，尾部尖细，属于应力型裂纹。裂纹源位于齿表面，沿次表面向齿根处扩展，裂纹最深处约1.0mm，如图4所示。

将试样经4%硝酸酒精溶腐蚀后，在齿的两边节圆下方都出现呈弧形的黑色区域，说明齿轮两侧均发生了烧伤，只有一侧发生了开裂，并且有黑色区域即回火区被裂纹围绕，说明裂纹的产生与此区域的组织发生转变存在一定的关联，如图5所示。在显微镜下观察，裂纹两侧无氧化脱碳现象，裂纹附近组织为回火托氏体；渗层组织为针状马氏体+颗粒状碳化物+残留奥氏体，按照技术要求的标准《JB/T6141.3-1992重载齿轮金相检验》对马氏体进行评级，针状马氏体：5级，满足标准的要求；未发现网状碳化物等异常组织；齿轮心部组织为贝氏体和针状铁素体；见图6~图8所示。

（5）显微硬度检测

在齿轮试样的正常区和烧伤区分别进行有效硬化层检测，测试结果见图9。从图9中可以得出，该齿轮的有效硬化层深为2.5mm，满足技术要求（1.6~2.5mm）；与正常区相比，烧伤区表面硬度偏低，从表层到心部硬度的分布为先升高再降低，该分布形态主要是因为表面发生了高温回火导致表面硬度下降；该检测结果也再次证实齿轮表面发生了回火烧伤。

（6）残余应力检测

采用Xstress3000X射线应力分析仪对齿轮表面烧伤区域进行残余应力检测，通过电解抛光的方式进行剥层，从而得出磨削烧伤后齿轮近表层残余应力的分布情况（备注：“+”表示拉应力；“-”表示压应力）见图10。从图中可以看出烧伤齿轮的近表面分布的均为拉应力，且在距齿表面100μm处出现最大值，然后随着深度的增加应力逐渐下降。资料显示，钢件渗碳后，表面与心部因含碳量的差别导致的比容变化和马氏体转变点温度的差别等原因，会造成钢件表面分布一定深度的压应力，以提高其疲劳强度。正常情况下，该渗层深度的渗碳齿轮齿表面的应力水平一般在-500MPa左右，但该齿轮的检测结果表明，由于齿面发生了回火烧伤，使齿面近表层的原有的应力状态发生了不利的转变，呈现出拉应力状态。

2.原因分析

通过以上理化检验可知，齿轮钢的化学成分、夹杂物等材质方面均符合标准要求，但是齿轮在磨削的过程中发生了回火烧伤，并由此引发了裂纹的产生。

磨削烧伤的发生是由磨削热造成的，当产生的磨削热量不能被及时带走，齿面的瞬时温度超过该齿轮的回火温度，会导致轮齿表面的硬度下降，形成烧伤。该齿轮磨削采用成型磨的方法，即用CNC将砂轮修整成齿轮齿槽渐开线形状，磨削工件形成渐开线。该方法的优点是砂轮与工件的接触面大，单位面积承受的力较小，而且均载；同时也有缺点，即成型磨一般都是两面同时磨削，砂轮与两个齿面同时接触，由于齿槽在加工前留有余量和变形所以相对较窄，且磨削时切削量较大，不利于齿面散热。在磨削过程时，当出现切削量过大、冷却液喷射位置偏差和砂轮修形稍有不当，都会造成轮齿表面被瞬时加热而发生烧伤。

正常情况下，齿轮在淬火加低温回火后，其表面正常组织是回火马氏体和少量残余奥氏体，当齿轮的表面发生回火后，回火马氏体转变为回火托氏体，较原来的回火马氏体相比，比容会减小，体积会收缩，由于基体的约束，在烧伤区域以及与正常区域的过渡区均会产生拉应力；另外该区域在冷却液的激冷作用下，也会产生一定的热应力。因此，在磨削过程中，一旦因磨削不当齿面过热而产生此类缺陷，该区域及周围的应力状态会发生反转，再加之高速磨削时的滚压应力，当上述各类应力的叠加总应力超过齿轮材质的极限强度时，便导致产生磨削裂纹，并沿着最薄弱区域延伸。这也是裂纹围绕着回火烧伤区域而产生的原因。

3.结论

齿轮的裂纹是磨削工艺不当造成的磨削裂纹。齿轮在磨削过程中，发生了严重的回火烧伤，造成烧伤区域及边缘区域产生拉应力，再加之磨削力的作用影响下产生磨削裂纹。

4.建议

（1）改进对中性，避免第一次磨削量过大造成烧伤，保证机床测量的磨削余量准确，并给出一定的安全余量。

（2）优化磨削参数，增加砂轮的转速和减小进刀量能大大地降低磨削烧伤的风险。

（3）选择合适的砂轮和修正参数，并及时修正砂轮。

（4）严格执行热处理工艺，采用多次低温回火或冷处理能有效降低磨削裂纹的发生率。