變速箱高速齒輪斷齒失效分析

王宇，馬慶超，尹維，經昊達

(清華大學天津高端裝備研究院潤滑與摩擦檢測中心，天津 300300)

0 引言

機械零件失效與其微觀組織、加工工藝、熱處理工藝以及使用工況密切相關，對失效工件進行詳盡分析，并進行工藝改進，是產品質量控制管理的重要內容。同時，及時解決零件失效問題、保證設備正常運行是對客戶信任的負責。汽車傳動性齒輪在運轉過程中往往需要承受耐磨和高沖擊載荷作用，發生齒輪斷裂是齒輪失效中較為常見的齒輪損傷形式[1-4]。文中從齒輪斷齒的斷口及裂紋宏微觀形貌分析入手，按照斷裂失效背景、初步宏觀檢查、斷裂性質初步判斷、試驗分析、斷裂性質原因明確、改進措施的分析思路進行研究[3]，分析齒輪斷裂原因，供國內外同行參考。

1 材料與方法

某品牌高速齒輪箱在試運行中出現斷齒情況。此齒輪材料為20CrMnTiH保證淬透性鋼，此工件工藝一般為淬火：第一次880 ℃，第二次870 ℃，油冷；回火200 ℃，水冷、空冷，工件的基本信息如表1所示。通過宏觀檢查、掃描電鏡微觀形貌分析、金相組織、化學成分分析、顯微硬度分析等全面分析該齒輪斷齒原因[2]，并提出相應預防措施。

表1 工件熱處理規范與性能參數

2 結果與討論

2.1 宏觀斷口形貌

根據斷口形貌，可初步判斷兩件齒輪斷裂方式相似，斷口從宏觀上看不到纖維狀，無明顯塑性變形，具有結晶顆粒狀的組織結構，色澤較暗，有部分斷面甚至已失去金屬光澤，均呈現脆性斷裂特征[5-6]，如圖1所示。

圖1 宏觀斷口形貌

2.2 微觀斷口形貌

為進一步判斷斷裂原因，通過場發射掃描電子顯微鏡對斷裂齒面進行觀察，如圖2和圖3所示。裂紋源位于齒輪受力一側，且齒面有組織脫落現象，如圖2所示。試樣斷裂的路徑沿著晶界擴展，斷口無明顯韌窩狀形態，呈顆粒狀，可判斷為脆性斷口，斷口表現為沿晶解離斷裂，斷口處存在明顯裂紋，但非疲勞裂紋特征[5]，如圖3所示。

圖2 斷口裂紋源(左側)

圖3 斷口形貌特征

2.3 輪齒的顯微組織分析

根據掃描電鏡結果，切割單個輪齒的橫截面，進行磨拋制樣，重點研究觀測受力面一側。

對試樣使用4%的硝酸酒精腐蝕處理，20 s后用背散射探頭觀察微觀形貌，如圖4所示。

圖4 腐蝕后的試樣微觀形貌

可以看出:試樣組織以針狀馬氏體+殘留奧氏體為主，裂紋較直，少分枝，可判斷為淬火裂紋。滲碳層殘余奧氏體較多,可增大齒輪表面剝落傾向，邊緣微裂紋嚴重[5-6]，內部存有少量夾雜物。

2.4 能譜分析

對試樣進行能譜分析，對含碳量變化趨勢和夾雜物的類型進行定性分析和判斷，如圖5、圖6所示。根據能譜分析推測，齒輪表面發生滲碳，元素含量不均勻，表面夾雜物屬于碳化物和氮化物[7]，如表2所示。

圖5 齒輪邊緣微觀形貌

圖6 能譜分析結果(線掃描)

位置元素質量百分比/%原子個數百分比/%aCK4．0738．62SiK0．140．58CrK0．310．68MnK0．260．55FeK29．1859．58bCK3．2229．22NK1．8514．36TiK5．4912．49CrK0．420．87MnK0．270．53FeK21．8142．54

2.5 硬度測試

對磨拋制樣后的輪齒進行顯微硬度測試，分別選取了齒頂下方1.5 mm處、分度圓附近、臨近齒根處進行硬度測試，每兩點硬度間隔0.2 mm，測試結果如圖7所示。

圖7 硬度(HV1)測試結果

根據圖7中的硬度測試結果，該輪齒的表面硬度(表面下0.1 mm)為720HV1～750HV1，芯部硬度大約在410HV1左右，判斷出有效硬化層深為0.6～0.7 mm，均滿足工藝要求的0.4～0.7 mm。這說明不是硬化層深度不夠引起的齒輪斷裂[1]。從硬度測試圖中可以看出，近齒根處的硬度值下降較快，此現象可導致受力一側部分組織脫落[1]。

3 討論與改進措施

該齒輪的失效模式為齒輪脆性斷裂，由于熱處理中的馬氏體轉變區冷卻過快及材料晶界上存在異常組織及元素等因素造成鋼的力學性能大大降低[5-7]，在高速工況下短時過載而引起齒輪突然折斷。

齒輪表面存在大量的微裂紋。處于傳動嚙合過程中的齒輪，因載荷作用產生大量微裂紋，微裂紋沿被弱化的晶界擴展，可造成材料的斷裂。這種現象在高速工況下更易發生。齒輪失效屬于脆性斷裂，斷口臨近表面位置呈現沿晶斷裂特征，表明材料的晶界屬于弱化區域。

為預防產生過熱組織，一般可通過多次正火或退火消除，對于較嚴重的過熱組織，可采用高溫變形和退火相結合的方法消除。

鉻含量偏低，導致鋼的淬透性下降，鋼的強度和硬度也隨之降低。

材料中零散分布的夾雜物以碳化物和氮化物為主，一定程度上會影響材料的力學性能，若夾雜物位于表層微裂紋附近，也會是裂紋擴展的誘因之一。

齒輪的表面、芯部硬度以及有效硬化層深，均達到標準要求。

4 結論

綜上分析與討論，該齒輪表面存在大量的微裂紋，失效屬于脆性斷裂，斷口臨近表面位置呈現沿晶斷裂特征。為預防產生過熱組織，一般可通過多次正火或退火消除，對于較嚴重的過熱組織，可采用高溫變形和退火相結合的方法消除。此試樣鉻含量偏低，導致鋼的淬透性下降，鋼的強度和硬度也隨之降低。材料中零散分布的夾雜物以碳化物和氮化物為主，一定程度上會影響材料的力學性能。夾雜物位于表層微裂紋附近，也是裂紋擴展的誘因之一。

參考文獻:

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