烧伤介绍及解决办法
解决磨削烧伤及磨削裂纹的探讨
颜 洋 2008-4-21
磨削烧伤
一、产生机理
磨削烧伤，是指由于磨削时的瞬时高温使工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，
使表层金属强度和硬度降低，并在工件表面的某些部分出现氧化变色的现象，伴有残余应力产生，。
磨削烧伤会降低材料的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度，烧伤严重时还会出现裂纹。
二、主要形式
在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：
1、回火烧伤
如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的
回火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为回火烧伤。
2、淬火烧伤
如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，
其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体)，
这种烧伤称为淬火烧伤。
3、退火烧伤
如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，
这种烧伤称为退火烧伤
三、解决方案
①机床
⑴定时支承磨损情况,如果磨损过大,会产生支承烧伤.
⑵检查工件和砂轮电机扭矩选用是否足够,不足时工件会产生短暂停留,会产生竖条烧伤.
⑶砂轮进给速度应保持一致，应选用CNC系统控制
⑷砂轮与工件的转速比应选择适当，同行建议为60:1。
②砂轮
⑴砂轮选择
在保证齿面粗糙度的前提下，磨料粒度应尽量选择大一些 ，以达到较高的去除量比率;渗碳钢硬度高，砂粒易磨钝，
为了避免砂粒磨钝而产生大量磨削热，砂轮硬度宜选软些，这样可以使磨钝了的磨粒及时脱落 ,保持砂轮经常有锐利的磨粒在工作 ,
避免产生过多的磨削热。并且磨料粒度越细 , 砂轮硬度也要小些 , 以防止砂轮堵塞。组织较软的砂轮气孔多，其中可以容纳切屑．
避免砂轮堵塞，又可将冷却液或空气带入磨削区域，从而使磨削区域温度降低。
⑵砂轮修磨及平衡
砂轮必须精细地平衡，以便砂轮工作时处于良好的平衡状态；严格控制砂轮传动系统及砂轮心轴的间隙。砂轮传动带松紧调整合适。
砂轮必
须及时修整以保持其锋利。修整砂轮的金刚石支座必须牢固。若金刚石表面上有0.5－0.6mm的磨损量，标志金刚石已磨钝了，
应及时更换。
③冷却液
⑴冷却必须有效充分，冷却液必须喷到磨削区域；流量一般为40～45L／min，以实现充分冷却；压力一般为0.8～1.2N／mm2，
以冲去粘在砂轮上的切屑；公司内部仅KAPP磨齿机达到以上标准。
⑵保持冷却液的纯净，妥善地过滤，以清除冷却液的切屑、磨粒等脏物；冷却液的容器要足够大，以免掺入过多的气体或泡沫，
⑶防止冷却液的温度急剧升高或降低。一般控制冷却系统的容积和工作间的室温，就足以控制冷却液的温度，
然而在特殊储况下应当使用散热器
冷却液的选择还应该考虑产生应力对齿面的影响，具体会在磨削裂纹内对此进行描述。
四、检测手段
⑴ 观色法
随着磨削区温度的升高，工件表面氧化膜的厚度就不同，因而会呈现出黄、草黄、褐、紫等不同的“回火色”。
但表面没有烧伤色并不意味着表层没有烧伤。此判别法准确性较低。
⑵ 酸洗法
生产中常用此法作抽检。即在被检零部件表面涂上酸液或将其浸入盛有按规定配制的酸液槽中。
之后（或在把工件取出后）根据表面呈现的不同颜色，对磨削烧伤的程度作出相应的判断。
一般地说，若色泽没有变化，就表明情况正常；而当颜色变成灰色，则说明已有烧伤情况存在，随着色泽变得越来越深，
表示工件表面因温度更高，引起的磨削烧伤更为严重。虽然简单易行，但有着很大的局限性，主要是工件表面经酸液浸蚀，
即使为无问题的零部件，也不能再予以使用，实际上是一种破坏性检查。酸洗法本质上属于定性检查，难以对烧伤程度做出定量的说明，
只能采用抽检的方式，且样本很小，欲对所执行的工艺过程作出较确切的评价并予以改进是很困难的。
⑶ 金相组织法
通过观察表层金相组织的变化来判别烧伤类别。此判别法准确度高，但会破坏零件。
⑷ 显微硬度法
工件表层金相组织变化必然导致其显微硬度的变化，因此，观察其硬度变化，可判断烧伤类别及测定变质层深度。
缺点是需要制作试件或破坏零件。
对于烧伤检测手段，除了以上几种传统方法，现国际上流行一种叫磁弹法的新检测手段。
磁弹法
（1）工作原理
磁弹法即BN法（Barkhansen Noise Method），是以1919年发现的物理学Barkhansen效应为基础开发的一种测试方法，它能有效地
对磨削烧伤进行测试。近年来，利用
磁弹法研制的测试仪器已在零部件表面磨削烧伤检测中逐步得到应用，并充分显现出优越性。
众所周知，出现磨削烧伤的那些零部件，主要由铁磁性材料制成，在正常情况下，其磁序（体现在多晶体的磁畴结构里）呈有规则的排列。
但如前所述，磨削烧伤后产生的金相组织变化及可能出现的很大残余应力都将引起磁畴结构内的磁序变化。Barkhausen效应指出，
矫顽（磁）力，即改变被颠倒极性所需要的磁场强度是与铁磁性材料晶格结构错位和残余应力等的程度有关的。
利用BN法探测被检零部件表面磨削烧伤的机理就在于此。
在BN法基础上开发的检测仪器的工作原理中，“门”形电感线圈形成的磁场在被测钢件中所产生的效应取决于工件表面磨削烧伤的实际状况，
而由此在工件周围所形成的磁场又会使测头在测试区域的感应线圈中产生相应的电信号，而这一信号直接与工件磨削烧伤的程度有关。
测试仪器的工作过程：由电感线圈引起相应的作用磁场，通过被检工件，进而在传感头中产生对应的检测信号（称为B信号），
该B信号经过放大和滤波等处理环节，最后被显示和输出。
磨削烧伤的物理表现主要是因表面金相组织结构变化而产生的回火层所引起的硬度下降，以及在表面出现的残余应力（拉应力）。
检测仪器对它们都能作出敏感的反映。随着被检工件表面硬度值Rc由高向低变化，检测仪器输出的相应B信号幅值将由小到大，
即硬度低对应的检测信号高，硬度高对应的检测信号低。由仪器对表面残余应力的反应可见，当残余应力由小到大，
即由负（压应力）向正（拉应力）变化时，检测仪器输出的相应B信号幅值将由低向高变化。
（2）评定特征值mp及其定标
上述由仪器特殊设计的激磁电路和传感装置产生的检测信号，乃是Barkhansen磁弹法效应的一种量化表达，以特征值mp
（magnetoelastic parameter）标志。mp与被检测工件表面的变异状态，如残余应力成比例，其数值能在仪器的屏幕上显示、输出。
但利用mp来反映工件磨削烧伤的程度从本质上来说是一种比较测量的方式，为了能够真正地对其做准确的定量描述，
还必须解决“定标”的问题。定标包括二项内容：①确定不合格品的界限。有目的地制作一批样品，其中包括有一些磨削烧伤程度不同的
工件，利用酸洗法按用户的评定标准对它们作出不同的判断后，将介于合格/不合格临界状态的若干工件通过仪器求得相应的mp值，
然后取其平均值作为不合格的界限；②进行校准。校准就是找出特征值mp与采用酸洗法确认的磨削烧伤程度之间的相关性
。具体来说，
就是需确定一个相关系数MAGN，并利用仪器控制面板上的拨盘予以设置，MGAN值的范围从0到99，一般尾数取5或0。为此，
可在前面的样品中找二根表面状态差异较大的工件，选定工件上的某一位置，在检测仪器上的MGAN取值间隔为5或10时，
以静态方法读出二组对应的mp值，如MGAN为30时在二个工件上测出2个mp值，在MGAN为40时又得到2个，直到MGAN=90。
两两相减后必然能得到一个最大值，以这时的MGAN值作为相关系数，在面板上予以设置。
注意：在实际执行“定标”时，也可先利用第一项中的样件求得相关系数MGAN，然后再找出不合格品界限。否则，在前一项操作中，
会由于任意设置的MGAN（一般取50或60）给界限值带来一些偏差。
该法操作便捷，效率很高，检查一个工件，如一根四缸发动机的凸轮轴，包括装卸也不到2分钟。
目前，以磁弹法原理为基础研制的这类新型磨削烧伤检测仪器已经产品化，在很多行业得到了成功的应用。针对不同被测工件的特征
和各个用户的需要，这类新型检测仪器可设计、制造成不同的型式，有逐点测量的静态方式，也有上述那种连续动态测量方式。
至于仪器能探测的深度，取决于实际被检工件材料的导电率、导磁率以及所确定的激磁频率。仪器都配两种激磁频率，
3～15kHz和70～200kHz。按磁弹法原理研制的这类新型仪器的检查深度一般范围为0.01～1.5mm,但通常工件表面磨削烧伤发生的深度
是0.02～0.2mm。建议公司能从这方面考虑。
以上描述没涉及到磨削裂纹,作为烧伤的伴生缺陷,磨削裂纹对产品质量及性能起决定性作用,基本上有磨削裂纹的产品,几乎都严重烧伤。
磨削裂纹
磨削裂纹的产生,主要是由于表面拉应力超过材料的抗拉强度造成,一般沿晶界扩展，裂纹一般垂直于磨削速度方向或呈网状。
这可能是热处理原因,或精加工原因,也可能两者共同作用产生。
一、热处理质量的影响
通常,由于热处理不当而对磨削质量产生不利影响的因素有以下四个方面 :
(1) 碳化物的大小、数量、分布及形态。
如果渗碳层碳化物的颗粒大、数量多、分布不均匀,特别是形成网状或角状,将会导致材质的脆性增加。
(2) 残余奥氏体量过多。
若渗碳后淬火温度过高,就会使奥氏体晶粒粗大和奥氏体内含碳量过高,这样就会导致形成粗大的片状马氏体和过多的残余奥氏体。
粗大片状马氏体在形成过程中将会导致晶界产生微裂纹,残余奥氏体也会在磨削加工中磨削热和磨削力
产生的冷硬化的共同作用下发生分解,引起相变,形成较大的组织应力。
(3) 渗
层碳浓度
渗层碳浓度过高,在渗层组织中容易形成网状碳化物或过多的游离碳化物。由于这种物质极硬,在磨削过程中可能出现局部过热倾向和发生表面回火。
(4) 低温回火组织。
渗碳淬火后回火温度和回火时间将影响马氏体的分解和显微裂纹的焊合,如果回火温度和回火时间不足 ，就会在以后的磨削加工中，
在磨削热的作用下使表层马氏体继续分解,使表层体积收缩而产生表面拉应力,当总的拉应力一旦超过材料的抗拉强度,就会产生磨削裂纹
二、磨削加工的影响
在磨削加工中 , 被加工表面层所受的磨削力 , 将使其表面产生冷塑性变形。而磨削加工所产生的磨削热，则会对冷塑性变形起着
软化的作用，但同时也会使工件表面产生热塑性变形和金相组织变化。通常 , 热塑性变形占主导地位使得表面产生拉应力，
组织应力则根据磨削区的温度和冷却速度将呈现拉应力或压应力状态。
三、预防措施
①热处理方面
(1) 碳化物分布及形态
碳化物分布应均匀，粒度平均直径不大于lμm；碳化物形态应为球状、粉状或细点状沿网分布，不允许有网状或角状碳化物。
(2) 渗碳层碳浓度适当
渗层碳浓度过高，会使轮齿表面产生过多的残余奥氏体,表面碳浓度增加,则降低了磨削性能,一般表面碳浓度应控制
在0.75％-0.95％范围以内,要防止渗碳层形成网状碳化物。
(3) 渗碳后采用重新加热淬火。
淬火温度应适当,以防止渗层马氏体组织粗大和残余奥氏体量过多,获得隐晶马氏体或细针马氏体,以提高渗层断裂强度。
(4) 回火
回火应充分、均匀,使淬火马氏体得到充分转变,显微裂纹焊合或减少,在保证技术要求的前提下,尽量使硬度降低,
消除淬火后的显微拉应力。如把出现磨削裂纹的齿轮重新回火,充分保温后,再进行磨削,磨削裂纹即可消除。
(5) 渗碳热处理后最好进行强力喷丸处理，因渗碳层表面通常会有脱碳层,其表层的残余应力均为拉应力,而强力喷丸后
表面可形成残余压应力，这有利于中和磨削过程中表面产生的拉应力。
②磨削加工方面
在磨削过程中磨削热通常会引起残余拉应力 , 因此预防磨削裂纹产生的根本措施就是减少磨削热 , 降低磨削温度。
(1) 合理选择磨料种类、粒度及砂轮硬度。
砂轮选择已在前文详细说明，这里推荐CBN)砂轮，立方氮化硼砂轮切削能力强 , 热导率和热稳定性高
并且经这种砂轮磨削所得的表面层存在残余压应力 ，将会提高被磨削表面的质量和零件的使用寿命。
(2) 合理选用磨削液。
采用乳化液冷却时，冷却较为强烈，使磨削区的热胀冷缩现象加剧，产生较大的内应力，如选用适当牌号的机油冷却则比前者柔和，
产生的内应力较小。
(3) 合理选用磨削用量。
磨削深度进给量、工作台进给速度、砂轮转速及砂轮冲程次数的选择会直接影响砂轮磨削区的温度。
磨削深度进给量与磨削区的温度大致成正比 , 并且也是这几个磨削用量中对磨削区温度影响最大的因素 ，因此 ,
在能够保证加工效率的情况下 , 应尽量使该进给量小一些。从降低磨削热的角度来看 , 可选择较大的工作台进给速度。
(4) 减少磨削余量。
因磨削余量过大 , 会产生过多的磨削热 , 从而导致磨削温度上升 , 增加裂纹出现的可能性。
以上是本人通过与国内同行的交流，参考各论坛就该问题的讨论，结合现场各岗位人员的经验，从个人角度对渗碳淬火钢的磨削烧伤
与磨削裂纹做出的理解。其中大部分仅仅从理论上进行了阐述，缺少实验数据的有力支持，只有通过公司内部人员自主摸索得到验证。
由于本人工作经验及知识面狭窄的原因，其中不乏失缺之处，望大家能给予指正与补充。