變速器齒輪斷齒失效分析

位君,王義,吳喜柱,張志鵬

(華晨汽車工程研究院，遼寧沈陽 110141)

0 引言

齒輪是變速箱中傳遞動力的重要零件之一。在運轉(zhuǎn)過程中齒輪齒面承受接觸應(yīng)力，齒根承受彎曲應(yīng)力，常見的失效形式是齒面點蝕和輪齒折斷[1]，因此需保證齒輪的接觸和彎曲疲勞強度。而齒輪的強度與其制造工藝、微觀組織、熱處理工藝等密切相關(guān)。滲碳淬火是汽車齒輪常用的熱處理工藝，磨齒是熱處理后保證齒輪精度的精加工工序，在復(fù)雜的工藝過程中可能產(chǎn)生各種類型的缺陷，這些缺陷會降低齒輪的強度，從而導(dǎo)致齒輪疲勞失效。

1 研究對象

某變速器齒輪在進行耐久試驗時，臨近該工況結(jié)束時發(fā)生斷齒。齒輪材料為20CrMoH，滲碳淬火，有效硬化層深0.4～0.7 mm，表面硬度650～750HV，芯部硬度為30～45HRC。為了確定齒輪斷齒原因，對其金相組織、硬度、材質(zhì)及斷口形貌進行檢測和分析。該齒輪斷裂宏觀形貌如圖1所示，故障件檢測取樣位置如圖2所示。

2 檢測與分析

2.1 金相組織觀察與分析

在室溫條件下，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液擦拭試樣表面直至試樣表面發(fā)生侵蝕。圖3(a)所示為試樣1(齒寬1/2 位置)在齒輪法向截面由齒輪頂部至芯部的顯微組織。由圖可見，齒輪頂端表面附近區(qū)域至芯部位置組織依次為：隱晶馬氏體、殘余奧氏體與少量細小顆粒狀碳化物；細針或針狀馬氏體和殘留奧氏體；芯部組織為低碳馬氏體組織和少量游離鐵素體組織。圖3(b)所示為試樣1在齒輪法向截面由齒輪根部至芯部的顯微組織。由圖可見，該附近區(qū)域的組織為隱晶、細針馬氏體、少量殘留奧氏體和少量細小顆粒狀碳化物組織，未觀察到網(wǎng)狀滲碳體或明顯表面晶界氧化層組織。試樣2齒根區(qū)域顯微組織如圖4所示，在其組織中可觀察到較為輕微的表面晶界氧化現(xiàn)象。

圖3 試樣1顯微金相組織

圖4 試樣2齒根區(qū)域顯微金相組織

2.2 硬度檢測

對齒輪試樣芯部進行洛氏硬度測試，洛氏硬度測試方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1-2018執(zhí)行。測試結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明：齒輪芯部的洛氏硬度較為均勻，硬度為40.3～44.5HRC。

表1 芯部硬度檢測結(jié)果(HRC)

針對試樣1不同位置齒輪法向方向的硬度分布情況進行檢測和分析，采用維氏硬度(HV)分析方法，硬度測試按照GB/T 4340.1-2009和GB/T 3480.5-2008標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。檢測試樣1齒輪頂部-芯部Ⅰ、節(jié)圓位置-芯部Ⅱ及齒根-芯部Ⅲ共3個不同位置由表面至齒輪內(nèi)部的硬度梯度，各個不同位置的硬度梯度檢測數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 試樣1齒輪不同位置硬度梯度

2.3 材料成分檢測

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 223.79-2007對齒輪試樣進行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果如表2所示。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5216-2014，查得20CrMoH 鋼的各化學(xué)元素范圍，通過對比齒輪試樣的化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分可以得出，齒輪試樣的各化學(xué)元素成分均在標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分范圍之內(nèi)。

表2 齒輪化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.4 斷口分析

利用掃描電子顯微鏡對齒輪斷口進行觀察和分析，圖6所示為齒輪斷口宏觀形貌圖片，圖7所示為圖6中箭頭所示位置局部放大圖片。

圖6 齒輪斷齒宏觀形貌

圖7 斷齒疲勞源區(qū)和擴展區(qū)形貌

通過對斷口的宏觀觀察及對比局部放大圖片，可見齒輪折斷位置位于齒根位置，裂紋源區(qū)萌生于齒根表面位置，在疲勞裂紋源附近區(qū)域可觀察到一定數(shù)量的疲勞條帶和二次裂紋，該位置斷口呈典型的疲勞斷裂特征。部分?jǐn)嗫诒容^平坦，局部較為粗糙，無明顯塑性變形特征，斷齒及未斷齒與臨近嚙合齒面均未發(fā)現(xiàn)擦傷痕跡，據(jù)此可以推測，該齒輪發(fā)生折斷的過程為首先發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致個別齒輪折斷，進而產(chǎn)生沖擊，最終導(dǎo)致多齒發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

顯微組織觀察結(jié)果表明個別齒根位置有輕微晶界氧化的現(xiàn)象；硬度檢測結(jié)果表明部分齒輪齒根位置淬硬層厚度偏小；斷口觀察結(jié)果表明個別齒斷口位置可觀察到疲勞裂紋源及典型的疲勞斷裂特征；齒輪發(fā)生疲勞斷裂失效與齒根位置表面狀態(tài)不良密切相關(guān)，齒根區(qū)域硬化層厚度偏小，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因也較為復(fù)雜：

(1)熱處理工藝不良導(dǎo)致齒根位置冷卻速度過低，導(dǎo)致該位置淬硬層深過薄；

(2)磨削工藝不良導(dǎo)致齒根位置淬硬層被磨削加工過多；

(3)磨削進給量過大，砂輪過鈍，導(dǎo)致磨削瞬間溫度過高，引起齒輪表面受到磨削熱和磨削力的共同作用引起二次回火損傷等因素，都可能產(chǎn)生淬硬層厚度過低。經(jīng)滲碳淬火再回火處理后，齒輪表面為回火馬氏體組織，在磨削過程中產(chǎn)生的高熱，會使馬氏體體積收縮形成二次回火體積收縮，因此在該區(qū)域表面和近表面受到拉應(yīng)力作用，并最終導(dǎo)致齒根位置強度降低。

綜上，改進熱處理、磨削工藝保證齒根位置淬硬層深度；采用強力噴丸工藝，經(jīng)強力噴丸后可促進組織中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體組織并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，齒輪表面殘余壓應(yīng)力可有效抵消磨削熱產(chǎn)生的二次回火體積收縮，顯著提高齒輪抗疲勞性能[2-3]以及齒輪壽命。