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

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

齒輪是現代傳動技術中關鍵的結構零件，主要功能是可靠且無噪聲地傳輸轉矩，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、經濟指標好等優勢[6]。

粉末冶金齒輪的性能與制造工藝密切相關，不同工藝和技術路線生產的齒輪性能差異很大。余錫泉等[6]采用溫壓工藝壓坯，并改進燒結溫度制備了高強度錐齒輪，但他們僅通過力學性能表征產品質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化，并未對材料進行改進。丁霞等[8]將傳統的燒結與熱處理工序合二為一，采用燒結硬化工藝制備了用于電子駐車的斜齒輪，減少了工序，具有一定的經濟性，但該方法制備的齒輪內應力較大。本文針對某型粉末冶金齒輪易發生的斷齒現象，基于斷口分析結果改進燒結工藝，并采用沖擊試驗驗證工藝改進效果。研究結果表明，經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，采用線切割設備將斷口切下，放入超聲清洗設備中用酒精清洗，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合金化粉Fe-1.8Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.2C(質量分數%)為原料，其物理性能如表1所示。其中，碳元素以石墨狀態加入，與鐵元素形成間隙固溶體；銅元素能產生固溶強化效果，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定燒結尺寸；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→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；燒結工序在RCWJ-18型網帶式燒結爐中完成，以氮氣和分解氨作為保護氣氛，燒結溫度1120 ℃，燒結時間90 min；燒結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以減小淬火應力，降低脆性[12]。至此壓制、燒結、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《鐵基粉末冶金燒結制品金相標準》[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《燒結金屬材料(不包括硬質合金)沖擊試驗方法》[14]制備試樣。

2 試驗結果與討論

2.1 齒輪斷口及分析

根據用戶反饋，齒輪在重載情況下出現斷裂，斷口出現在齒牙部位，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可以發現，斷口位置集聚大量大小不一的球狀物質，直徑3～20 μm，部分直徑較大的球狀物質鑲嵌在金屬基體內，直徑較小的散落分布。從孔隙形貌圖3c 可以發現，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粉末顆粒的擴散、熔焊和再結晶，導致粉末之間的結合力較弱，因此在過載受力情況下，優先發生斷裂[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能譜分析球狀物質元素組成，可知球狀物質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%，是燒結形成的鐵碳化合物，如圖5所示。EDS能譜結果也側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工藝匹配不當，具體為燒結溫度過低，導致粉體未充分擴散、熔焊、再結晶，解決上述問題的方法是提高燒結溫度，適當延長燒結時間[18]。

2.2 燒結工藝優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，本文取同批次預合金粉進行驗證性試驗。將燒結溫度提高至1120 ℃，燒結時間增加至90 min。與原生產工藝相比，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現，改進燒結工藝后的粉末冶金組織致密程度得到顯著提升，未發現明顯的孔洞、孔隙，珠光體均勻分布。放大觀察發現，珠光體為海綿狀細珠光體組織，尺寸30～50 μm。此外，在500倍光鏡下發現針狀馬氏體組織集聚，尺寸20～40 μm，數量較多。按JB/T 2798—1999 《鐵基粉末冶金燒結制品 金相標準》[13]分類，該粉末冶金齒輪珠光體數量級別為珠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，可以發現，其呈現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構，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 結論

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

(2)改進燒結工藝后，粉末冶金組織珠光體數量為珠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%，斷裂失效形式變為解理斷裂。

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