工件磨削退火后的质量检测

赵步青

安徽嘉龙锋钢刀具有限公司 安徽马鞍山 243131

1 序言

笔者1968年大学毕业后一直在企业从事热处理技术工作，先后供职过15个单位，深知各厂对磨削退火（简称“磨退火”）问题十分重视，但在经济效益的驱动下，磨削退火现象还是很常见，且几乎在每个厂都有发生，只是产生磨削退火的数量和程度不同而已。磨削退火工件可从表面颜色、硬度、金相上进行鉴别，以下分别作简单介绍。

2 外观观察

工件的磨削过程包括摩擦、挤压和切削3个部分，实质上是砂轮对磨件表面的摩擦、挤压和切削，与车、铣、刨等机加工方法的不同之处在于磨削速度快（为车削、铣削加工的20倍），磨屑尺寸小，且散热效果差，其单位切削面积消耗的功率90%以上都转换成热能[1]，磨削热的大量积累可能使磨削面温度高达600℃，甚至上千度，从而在表面形成很大的温度梯度，如此温度超过了工件的最终回火温度，必然导致硬度下降，人们把这种观象叫作磨削退火。磨削退火的轻重程度可从被磨面的颜色判定，往往呈黄色、蓝色、深灰色和黑色，颜色越深，退火程度越严重。

磨削裂纹是常见的缺陷，肉眼可见。图1所示为高速钢麻花钻产生的磨削裂纹。从图1可看出，表面出现很多平行或网状的细小裂纹。

图1 钻头磨削裂纹

图2所示为锰钢制塞规淬火后未回火产生的磨削裂纹。

图2 塞规磨削裂纹

图3所示为WI8钢破切刀在磨削表面时因造成很大的多向应力而形成龟纹状的磨削裂纹。沿工件横截面制备的显微试样，观察到较粗大的淬火晶粒。表面裂纹沿晶界面蜿蜒引伸，裂纹深度0.16～0.35mm，如图4所示。

图3 破切刀磨削裂纹

图4 破切刀磨削裂纹金相（320×）

图5所示为铬锰钨钢制冷冲模，经淬火、回火后进行磨削加工，即在两平面出现不同长度的磨削裂纹。

图5 冷冲模磨削裂纹

3 硬度检测

硬度检测是以数字化表达的形式，无可争辩，但往往“甩锅”热处理，造成不少“冤假错案”。某公司供给客户的木材旋切刀，使用一段时间后自家修磨，因磨削退火而造成刀刃硬度下降，如图6所示。

图6 旋切刀修磨退火

高速钢制机用丝锥由于磨削退火，表面硬度下降太多，因此无法进行切削，经检测，未磨前硬度为64HRC，磨削退火后仅为53RC，切削试验中，由于硬度低、负荷大而使一些尖齿崩落，如图7所示。

图7 丝锥磨削退火后崩牙

当磨削产生的热量使温度超过其回火温度以上时，即会发生软化，在工件表面出现氧化色泽，硬度下降程度可用HV法进行测量。图8所示为CrW5钢制冷挤冲头，在使用时发现极易磨损，在磨损处横断面取样，经4%硝酸酒精溶液浸蚀，发现冲头外圆有深度0.15mm的磨削退火区域（回火托氏体，硬度由原865HV下降到512HV）。

图8 冷挤冲头磨削退火

图9所示为M2钢制φ60mm×1.5mm螺钉槽铣刀，用户反映很快磨损，显微硬度测定比基体要低4.5～9.5HRC。由于刀口产生磨削退火，硬度下降严重，因此造成很快磨损。螺钉槽铣刀磨削退火硬度下降情况见表1。

表1 螺钉槽铣刀磨削退火硬度下降情况

图9 铣刀磨削退火

图10所示为65Mn钢制卡尺框磨削裂纹形貌。由图10可见，在不光滑表面出现明显磨削裂纹，且硬度明显下降。将有裂纹的尺寸框进行平磨试验，每次小心地磨去0.05mm后检测一次硬度值，随着距表层距离的增大，受热温度逐渐降低，使硬度呈抛物线上升，见表2。由此可见，越趋向于表面，受热温度越高，其热量是由表面磨削热产生的。

图10 卡尺框磨削退火裂纹

表2 卡尺框磨削退火后硬度变化情况

4 金相检测

磨削退火的刀具表面瞬时温度很高，甚至接近淬火温度，经空气或冷却液冷却后，表面产生二次淬大现象，邻近二次淬火区的组织经热传导造成退火区，其硬度下降。图11所示为高速钢W18滚刀磨削退火后的金相组织。从图11可看出，最外层淬火区金相组织为马氏体+奥氏体+碳化物；次层退火区为屈氏体+马氏体+碳化物；心部为回火马氏体+碳化物。

图11 滚刀磨削退火后的金相组织（320×）

图12所示为65Mn钢制游标卡尺框磨削退火后的金相组织，表层为再淬火的马氏体组织，心部仍为正常的回火马氏体组织。

图12 卡尺框磨削退火的金相组织（320×）

图13所示为W18钢制收割机刀片冲齿切边模，刃磨不当造成退火。从图13可见，磨削痕迹处金相组织为淬火马氏体+残留奥氏体+呈块状、粒状分布的碳化物，奥氏体晶界很清晰，而在磨削痕迹组织的两侧，则为回火充分的马氏体+碳化物+少量残留奥氏体[2]。

图13 切边模磨削退火（500×）

5 酸蚀检测

如果已经造成了磨削退火，表面颜色肯定有变化，有些操作工往往为掩盖真相而用油石等轻微打磨，退火色即消失，但用酸蚀试验，就会使假相暴露无遗。对于磨削退火的高速钢工具，在酸蚀试验中最常用的是4%硝酸酒精溶液。图14所示为多家丝锥磨削退火的金相组织照片。如已产生磨削退火而不致裂，但肉眼看不清，则用工业稀硝酸浸蚀相关部位30s即可明了。

图14 丝锥磨削退火程度不同的照片（500×）

检查磨削退火最可靠的方法为：用体积分数为3%～8%硝酸酒精溶液浸蚀磨削退火部位，然后再用体积分数为8%～10%盐酸酒精溶液明化，并在碳酸钠水溶液中进行中和，随后吹干或晾干，即可清晰地将各种磨削退火显现出来。

6 产生磨削退火的原因

产生磨削退火甚至磨削裂纹时，除了极少数是材料问题，大部分是人为因素造成的，概括起来有如下几方面的原因。

1）淬火后未回火或回火不充分，组织中有较多的残留奥氏体。

2）吃刀量大，造成被磨面温度迎速上升，内部组织发生变化并产生热应力。

3）走刀速度过慢。实践证明，在相同进给量的情况下，走刀速度慢，摩擦产生的磨削热不易散去，容易造成磨削退火。

4）砂轮钝化。应选择合适的砂轮并适时修磨。使用一段时间后砂轮必然钝化，如不及时修磨，砂轮在工件表面产生摩擦，其动能大部分转变成热能，使被磨削工件表面温度升高，从而造成磨削退火。

5）机床精度差。设备的精度、稳定性，以及进刀机构的灵敏性，对磨削的均匀性有一定的影响，因而会影响磨削质量。

6）冷却方法。很多刀具刃磨为干磨，有的因冷却不到位，都会造成工件磨削退火甚至产生磨削裂纹。

7）其他突发因素的产生也会产生磨削退火，如机床故障、停电等。

7 结束语

磨削退火是机械行业的通病，一定要认真对待，一把好的刀具可能要反复修磨几十次甚至上百次，每次修磨均要防止磨削退火，避免由此给企业带来经济损失，在技术创新的道路上要砥砺奋进，为机械工业的腾飞发挥我们的光和热。