25K中橋弧齒錐齒輪失效分析

重慶大江信達車輛股份有限公司 （401321） 李芝明

主傳動主、從動齒輪A2504084XA、A2504101XA是我公司供徐重25K中橋的重要傳動部件，近期該部件在用戶使用過程中發生多起早期斷裂失效。

1.檢驗分析

該齒輪材料為20CrMnMo，加工工序：鍛造→粗加工→正火→精加工→滲碳淬火+回火→拋丸→機加工→裝配。中橋差速器主傳動主、從動齒打齒，差速器殼損傷嚴重，檢查其他部件未出現異常。拆解后發現主傳動主從動齒輪均已失效（見附圖）；主動齒輪斷齒較嚴重，附圖c中齒根部開裂并向齒心部凹處連根斷裂；僅有個別齒為完整的齒形；從動齒輪分度圓以上部分也出現部分斷齒（見附圖d）。

斷裂失效齒輪副的宏觀形貌圖

硬度試驗分析見表1，可見該產品表面硬度值符合技術要求，但主傳動主動齒輪心部硬度只有24～26HRC，遠低于技術要求（齒面以及其余表面硬度58～64HRC，心部硬度29～45HRC）。心部硬度過低會大大降低主動齒輪的齒根抗彎強度和疲勞強度。

表1 硬度試驗

對斷齒進行金相分析，取斷齒的橫截面為金相磨面，經4%硝酸酒精浸蝕后觀察： ①主傳動主動齒輪，齒根未磨損部位滲碳層深為齒面1.3mm、齒根0.78mm，碳化物級別2級，馬氏體及殘留奧氏體2級。斷齒部位（齒心）組織為板條狀馬氏體+部分塊狀鐵素體。②主傳動從動齒輪，滲碳層深為齒面1.4mm、齒根1.2～1.3mm，碳化物級別2級，馬氏體及殘留奧氏體2級。金相分析表明：組織狀態良好，但主傳動主動齒輪齒根滲碳層深度明顯不足，低于技術要求1.2～1.6mm。

對主傳動主、從動齒輪材料成分分析如表2所示，根據國家標準GB/T3077－1999，主傳動主動齒輪化學成分Cr、Mo不符合20CrMnMo含量標準。

2.結果分析

經宏觀檢查后發現主動輪齒從齒根部開裂并向齒心部凹處連根折斷，其明顯表現為齒根強度不足所致。從動齒輪失效部位主要在齒的分度圓以上部分嚙合區斷齒，其形態應為主動輪斷齒后瞬間對從動齒的嚙合區域形成巨大的沖擊力所致，可見斷齒部位裂紋源位于主動齒輪齒根部位。

表2 化學成分（質量分數） （%）

鋼鐵材料中的Cr、Mo元素均可提高材料的淬火淬透性能，但通過試驗分析發現主動齒輪中Cr、Mo元素含量遠遠低于20CrMnMo國家標準對該材料的含量要求（國家標準要求：wCr=1.1%～1.4%，wMo=0.2%～0.3%），嚴重影響了該產品的熱處理淬透性，導致熱處理后產品硬化層深度過淺，心部硬度達不到技術要求，使產品心部硬度和強度降低。正是由于產品齒根強度達不到要求，最終導致用戶在使用過程中早期失效。

3.建議方案

建議原材料入廠嚴格驗收，對熱處理實物質量嚴格把關。同時，設計上應加強主動齒輪的齒根強度要求及齒根部位的硬化層要求，并考慮其他措施強化齒輪副齒根的抗彎矩強度。