鐵基粉末冶金齒輪斷裂失效分析及其工藝改進研究

陳燕飛，宋曉村，賴華生，文小強，周吉學(xué)

(1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341412；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟南 250014)

齒輪是現(xiàn)代傳動技術(shù)中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)零件，主要功能是可靠且無噪聲地傳輸轉(zhuǎn)矩，其尺寸精度、硬度、強度都有較高的要求[1-2]。過去，由于受材料固有的孔隙率及合金化方法的限制，粉末冶金局限于低強度應(yīng)用[3]。近年來，新的合金化方法顯著提高了粉末冶金零件的密度及強度，使其接近鍛造齒輪材料的水平，從而使粉末冶金齒輪能夠與高性能鍛造齒輪競爭，并且具有噪音低、自潤滑等特點[4-5]。此外，粉末冶金是近凈成形的加工方法，具有材料利用率高、經(jīng)濟指標(biāo)好等優(yōu)勢[6]。

粉末冶金齒輪的性能與制造工藝密切相關(guān)，不同工藝和技術(shù)路線生產(chǎn)的齒輪性能差異很大。余錫泉等[6]采用溫壓工藝壓坯，并改進燒結(jié)溫度制備了高強度錐齒輪，但他們僅通過力學(xué)性能表征產(chǎn)品質(zhì)量提升情況的做法較為片面，且未對單一因素影響機制開展深入研究。谷文金等[7]通過改進成型模具、增加錐角克服了齒輪易裂的問題，成功制備出凸輪軸正時齒輪，但其研究局限于對模具進行優(yōu)化，并未對材料進行改進。丁霞等[8]將傳統(tǒng)的燒結(jié)與熱處理工序合二為一，采用燒結(jié)硬化工藝制備了用于電子駐車的斜齒輪，減少了工序，具有一定的經(jīng)濟性，但該方法制備的齒輪內(nèi)應(yīng)力較大。本文針對某型粉末冶金齒輪易發(fā)生的斷齒現(xiàn)象，基于斷口分析結(jié)果改進燒結(jié)工藝，并采用沖擊試驗驗證工藝改進效果。研究結(jié)果表明，經(jīng)過改進工藝制備的粉末冶金齒輪性能良好。

1 試樣制備與試驗方法

隨機挑選一只齒牙斷裂失效的齒輪進行斷口分析，采用線切割設(shè)備將斷口切下，放入超聲清洗設(shè)備中用酒精清洗，干燥后放入ZEISS EVO MA 10/LS 10 型掃描電鏡(SEM)分析斷口，采用牛津X-Max型能譜儀(EDS)分析斷口元素組成[9]。

驗證試驗采用與斷裂齒輪同批次的預(yù)合金化粉Fe-1.8Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.2C(質(zhì)量分數(shù)%)為原料，其物理性能如表1所示。其中，碳元素以石墨狀態(tài)加入，與鐵元素形成間隙固溶體；銅元素能產(chǎn)生固溶強化效果，從而提高材料的密度和強度；鎳元素改善齒輪沖擊韌性；鎳、銅元素同時合金化可穩(wěn)定燒結(jié)尺寸；鉬元素可提高材料的強度與淬透性，減少回火脆性[10]。

粉末冶金齒輪制備工藝路線為：壓制→燒結(jié)→熱處理→浸油→包裝。壓制工序采用容積法裝粉，裝粉盒后退時刮平陰模上表面，保證裝粉的均勻性[11]，通過山東威力重工630 t壓機壓制成齒輪坯；燒結(jié)工序在RCWJ-18型網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中完成，以氮氣和分解氨作為保護氣氛，燒結(jié)溫度1120 ℃，燒結(jié)時間90 min；燒結(jié)完成后齒輪隨爐冷卻至830 ℃并保溫30 min后，立即出爐油淬，然后在180 ℃低溫回火60 min以減小淬火應(yīng)力，降低脆性[12]。至此壓制、燒結(jié)、熱處理工序完成，浸油、包裝后可出廠。

金相樣品按照JB/T 2798—1999《鐵基粉末冶金燒結(jié)制品金相標(biāo)準(zhǔn)》[13]制備，腐蝕劑采用4%苦味酸酒精溶液和0.5%硝酸酒精溶液；沖擊試驗參照GB/T 9096—2002《燒結(jié)金屬材料(不包括硬質(zhì)合金)沖擊試驗方法》[14]制備試樣。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 齒輪斷口及分析

根據(jù)用戶反饋，齒輪在重載情況下出現(xiàn)斷裂，斷口出現(xiàn)在齒牙部位，如圖1所示。將斷口取下后，測得密度為6.82 g/cm3，然后放在光鏡、掃描電鏡下觀察，斷口形貌、金相如圖2～4所示。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，斷口位置集聚大量大小不一的球狀物質(zhì)，直徑3～20 μm，部分直徑較大的球狀物質(zhì)鑲嵌在金屬基體內(nèi)，直徑較小的散落分布。從孔隙形貌圖3c 可以發(fā)現(xiàn)，齒牙斷裂位置存在大量孔隙，孔隙尺寸約3～10 μm，說明粉末冶金組織致密程度不高。另外，圖4金相顯示齒牙部位珠光體組織數(shù)量較少，且存在大量黑色孔洞。由此可知，斷口位置并未完全實現(xiàn)粉末顆粒的擴散、熔焊和再結(jié)晶，導(dǎo)致粉末之間的結(jié)合力較弱，因此在過載受力情況下，優(yōu)先發(fā)生斷裂[15-16]。

圖1 試制齒輪斷裂情況 Fig.1 Fracture condition of the trial-made gear

圖2 斷口形貌 Fig.2 Fracture morphology

圖3 孔隙形貌 Fig.3 Morphology of the pores

圖4 齒牙金相Fig.4 The metallography of the teeth

采用EDS能譜分析球狀物質(zhì)元素組成，可知球狀物質(zhì)主要組成元素為鐵和碳，其中碳元素含量約44%，鐵元素含量56%，是燒結(jié)形成的鐵碳化合物，如圖5所示。EDS能譜結(jié)果也側(cè)面反映粉末擴散不足的問題[17]。

E/keV圖5 斷口EDS分析Fig.5 EDS results of the fracture

綜上所述，可以判斷粉末冶金齒輪斷裂的主要原因是燒結(jié)工藝匹配不當(dāng)，具體為燒結(jié)溫度過低，導(dǎo)致粉體未充分擴散、熔焊、再結(jié)晶，解決上述問題的方法是提高燒結(jié)溫度，適當(dāng)延長燒結(jié)時間[18]。

2.2 燒結(jié)工藝優(yōu)化及粉末冶金組織分析

為了驗證上述工藝改進措施的可行性，本文取同批次預(yù)合金粉進行驗證性試驗。將燒結(jié)溫度提高至1120 ℃，燒結(jié)時間增加至90 min。與原生產(chǎn)工藝相比，溫度提高70 ℃，時間增加20 min。

從制備完成的齒輪齒牙處取樣，測得新工藝制備的齒輪密度提高至7.11 g/cm3，側(cè)面反映粉末冶金致密度提升。然后，對齒牙部位進行金相分析，通過不同倍率重點觀察齒牙及齒邊緣薄層位置組織，其金相照片如圖6所示。圖6中黑色部分為珠光體組織、白色部分為鐵素體與馬氏體混晶組織。與原工藝制備的齒輪金相圖對比發(fā)現(xiàn)，改進燒結(jié)工藝后的粉末冶金組織致密程度得到顯著提升，未發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞、孔隙，珠光體均勻分布。放大觀察發(fā)現(xiàn)，珠光體為海綿狀細珠光體組織，尺寸30～50 μm。此外，在500倍光鏡下發(fā)現(xiàn)針狀馬氏體組織集聚，尺寸20～40 μm，數(shù)量較多。按JB/T 2798—1999 《鐵基粉末冶金燒結(jié)制品 金相標(biāo)準(zhǔn)》[13]分類，該粉末冶金齒輪珠光體數(shù)量級別為珠60。

圖6 齒輪金相Fig.6 Metallography of the gear

2.3 沖擊試驗及斷口分析

為驗證改進工藝燒結(jié)的粉末冶金齒輪性能，在原斷裂齒輪和新制備的齒輪齒牙位置取樣進行夏比沖擊試驗。由于齒輪尺寸原因無法按GB/T 9096—2002[14]方法制備沖擊樣。因此，試驗取一根完整齒牙進行沖擊對比，如圖7所示，通過特制夾具固定在沖擊試驗機試樣支座上進行沖擊試驗。

圖7 齒輪沖擊試驗取樣位置 Fig.7 Sampling position of the impact sample

沖擊試驗結(jié)果表明，新工藝制備的粉末冶金齒輪沖擊吸收功為14.3 J，原齒輪沖擊吸收功為9.2 J，結(jié)合齒輪截面面積0.938 cm2，計算得到齒輪沖擊韌性由原工藝的9.8 J/cm2提升至15.2 J/cm2，提升幅度達55%。

將新工藝制備的齒輪斷口置于掃描電鏡中觀察，可以發(fā)現(xiàn)，其呈現(xiàn)典型的沖擊斷裂特征，特征尺寸100 μm×300 μm，如圖8 a～8c所示。圖8d～8e反映斷口破壞方式為解理斷裂，在沖擊作用下，裂紋沿解理面發(fā)生穿晶解理斷裂擴展，造成齒牙斷裂。在斷口位置存在微韌窩結(jié)構(gòu)，如圖8f所示，這表明新工藝使齒輪具備一定的塑性。

圖8 沖擊斷口形貌 Fig.8 Fracture morphology of the impact sample

3 結(jié)論

(1)從斷口分析發(fā)現(xiàn)，原工藝齒輪齒牙部位存在大量球狀鐵碳化合物，嚴(yán)重降低粉末間結(jié)合力。因此，齒牙斷裂失效的主要原因是燒結(jié)溫度不足導(dǎo)致粉末間未充分擴散、熔焊。

(2)改進燒結(jié)工藝后，粉末冶金組織珠光體數(shù)量為珠60，致密度從6.82 g/cm3提升至7.11 g/cm3；沖擊韌性由原工藝的9.8 J/cm2提升至15.2 J/cm2，提升約55%，斷裂失效形式變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>

(3)試驗結(jié)果表明，適當(dāng)提高燒結(jié)溫度、延長燒結(jié)時間，能夠顯著提升粉末間的擴散、熔焊和再結(jié)晶效果，提高組織致密性和沖擊韌性，并使組織具有一定塑性。