汽車驅動橋齒輪失效分析初探

江蘇飛船股份有限公司 （225516） 金林奎

汽車弧齒錐齒輪是汽車的關鍵傳動部件。齒輪表面硬度較高且具有高的耐磨性，心部有較高的強度和較好的韌性，這就決定了汽車用弧齒錐齒輪的特征性能。因此，必須選用低碳合金鋼進行表面滲碳處理，才能滿足汽車齒輪的綜合力學性能要求，保證工件正常使用。滲碳的主要目的是在低碳鋼工件表面得到較高的含碳量，然后經淬火+低溫回火，使工件表面獲得高的硬度及耐磨性，心部仍保持一定的強度和韌性。

汽車用弧齒錐齒輪，其滲碳劑主要組分為一氧化碳或甲烷，產生活性碳原子被工件表面吸附并由工件表層向內部擴散，形成一定的碳濃度梯度。隨后在淬火、回火處理過程，工件得到由表及里的硬度梯度，既保證工件表面有較高的硬度和耐磨性（表面硬度為57～63HRC），又使心部有一定的強度和韌性（心部硬度為35～45HRC）。

1. 狀態

2010年4月14日用戶反饋，共有三只457主從動弧齒錐齒輪，在正常服役過程中斷裂失效，使用壽命都很低。由產品標記核查得知，Ⅰ號樣457主動錐齒輪，使用壽命為5個月，失效狀態為齒部剝落。Ⅱ號樣457從動錐齒輪，使用壽命為6個月，失效狀態為沿螺紋孔斷裂。Ⅲ號樣457從動錐齒輪，使用壽命只有3個月左右，失效狀態同樣為沿螺紋孔斷裂。457主從動弧齒錐齒輪的材質均為22CrMoH低碳合金結構滲碳鋼。工件的加工工藝流程為：軋制圓鋼下料→熱鍛齒坯→齒坯正火→滲碳淬火+回火→磨削后包裝。現分別對三只失效件進行理化檢驗。

2. 分析

（1）Ⅰ號樣 該失效件為弧齒錐齒輪系列中457主動錐齒輪。材料化學成分及熱處理性能試驗結果見表1、表2。斷裂部位為齒部剝落，裂紋處宏觀觀察，裂紋源附近色澤較深。斷裂方式沿裂紋源向四周擴展，呈放射狀分布。顯微組織分析，在裂紋垂直部位，觀察到裂紋已呈開口狀態，并延續伸長約1mm深度，裂紋四周有明顯的回火色澤（見圖1）。經UD-200M金相顯微鏡高倍觀察，發現裂紋側面上有一條逆向伸展的裂紋（見圖2），裂紋內有大量氧化物等雜質。鑒于裂紋是逆向擴展，該裂紋可以推斷為鍛造表面折疊所致。

表1 Ⅰ號樣化學成分（質量分數） （%）

表2 熱處理性能測試結果（質量分數） （%）

圖1 裂紋周圍有明顯回火色澤

圖2 裂紋側面逆向伸展裂縫

由于鍛造溫度高，工件表面在高溫下接觸空氣而脫碳氧化，鍛造工藝不當造成表面折疊。由于表層過熱的作用，使組織中的硫化物等雜質第二相組織沿晶界析出，晶界組織結構嚴重弱化（見圖3）。在隨后的熱處理滲碳淬火過程中產生膨脹拉應力，致使弱化的晶界開裂。服役期間承載力使斷裂面進一步擴展。

圖3 沿晶界分布網狀裂紋及回火色澤

（2）Ⅱ號樣 該失效件為弧齒錐齒輪系列中457從動錐齒輪。斷裂部位在螺紋孔邊緣，宏觀觀察，在螺紋孔底部裂源處為多源疲勞臺階，說明在該處形成較強的應力集中。對工件齒部進行正常檢查，各項指標檢測結果見表3、表4（金相組織見圖4、圖5）。對螺紋齒槽進行檢查（見圖6、圖7），齒槽表面脫碳層為0.05mm；脫碳區域硬度為26.5HRC，硬度值極低。沿脫碳層向里為滲碳層，滲碳層深度0.80mm，滲碳層內硬度達58.0HRC（要求≤45HRC）。由于螺紋齒槽表面脫碳層硬度極低，使表層組織性能明顯下降，而內層硬度偏高（防滲處理不合理），螺紋部位應力增大。因此，工件在使用過程中，極易造成應力集中開裂，表層脫碳層加劇開裂的程度。

表3 Ⅱ號樣化學成分（質量分數） （%）

表4 Ⅱ號樣熱處理性能測試結果（質量分數） （%）

圖4 齒部馬氏體及殘留奧氏體

圖5 心部低碳板條馬氏體

圖6 螺紋底槽部位表面脫碳層

圖7 螺紋底槽部位表面脫碳層

我們對螺紋孔脫碳機理進一步探討，認為該脫碳層形成的原因是由于在滲碳前期強滲過程中，螺紋孔防滲不嚴密，使表層有滲碳跡象。滲碳后期擴散效果不好，爐內碳勢偏低或壓力不夠，造成表層碳原子向外擴散的現象。這種現象對于正常滲碳部位（如齒面），不會出現明顯的脫碳層，因為前期滲碳濃度較高。而對于螺紋孔內表層就不一樣，前期滲碳過程中，表層只有少量的碳勢或很淺的滲碳層，后期表層碳原子向外擴散，就會給原本碳勢不高的區域造成明顯的脫碳現象。加上螺紋孔內的油漬、污垢，經過高溫分解生成的產物對表層的氧化脫碳起到促進作用。

（3）Ⅲ號樣 Ⅲ號失效件與Ⅱ號失效件為同一種產品，且斷裂部位相同，為此對Ⅲ號失效件同樣進行齒部及螺紋部位全面檢查。材料及性能檢查結果見表5、表6。在螺紋部位檢查時，發現螺紋底部有明顯的腐蝕坑（見圖8），在腐蝕坑的次表層有較多的開放型及封閉型點腐蝕和顯微沿晶裂紋（見圖9）。腐蝕坑深度0.10mm左右，裂紋深度0.08mm（圖10為未經侵蝕過的螺紋底槽部位組織）。螺紋部位腐蝕坑及沿晶裂紋顯示，該失效件為典型的應力腐蝕斷裂。

應力腐蝕是指在一定的腐蝕環境和拉應力作用下，由于電化學腐蝕而引起的過程，導致正常的延性材料迅速開裂及早期脆性斷裂。該工件螺紋孔內有大量的油漬、污垢，填滿螺紋底槽。由于油漬、污垢內含有各種碳、氫、氧、硫所組成的腐蝕產物，對齒輪產品不斷進行侵蝕。該產品在庫房中已存放了三年以上（由工件號查明），工件本身存在淬火應力，在腐蝕物作用下，首先破壞表面氧化膜，氧化膜局部穿透形成腐蝕坑孔，沿腐蝕坑孔處應力集中，造成應力腐蝕裂紋。在工件服役過程中，強大的載荷以及淬火殘留應力，加速裂紋的擴展，最終形成晶間應力腐蝕疲勞斷裂。

表5 Ⅲ號樣化學成分（質量分數） （%）

表6 Ⅲ號樣熱處理性能測試結果（質量分數） （%）

圖8 螺紋底槽部位腐蝕坑孔

圖9 螺紋底槽部位腐蝕坑及裂紋

圖10 未經侵蝕的螺紋底槽部位

3. 改進

（1）加強鍛件表面質量控制。

（2）鍛坯切齒加工后，進行無損檢測。

（3）清洗齒輪螺紋孔，涂防滲劑，擰上螺栓，然后滲碳熱處理。

（4）對滲碳爐內碳勢嚴格監控。

（5）成品浸防銹油，改防銹紙包扎為塑料袋密封包裝。

（6）包裝箱下鋪設瀝青氈布防地面潮濕。

（7）成品倉庫安裝除濕機和濕度儀，保證倉庫內濕度在規定范圍內。

4. 結語

改進措施實施后，一年多的實際跟蹤檢查，未發現類似斷裂失效現象。通過上述汽車齒輪失效件的分析和研究，對不良品及時制訂糾正和預防措施，并對實施的結果進行跟蹤檢查和質量控制。齒輪產品質量控制是全過程的控制，為了提高汽車齒輪質量，必須控制整個產品加工工序，嚴格按照加工過程作業指導書進行操作。根據實際檢測結果，不斷優化生產工藝，保證齒輪質量，以提高企業經濟效益。