粉末冶金鐵基齒輪斷裂失效分析*

鄒黎明，莫明珍，陳學文，譚 瑩

1.廣州科技貿易職業學院智能制造學院，廣東 廣州 511442

2.廣州海關技術中心，廣東 廣州 510623

3.廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520

隨著汽車行業的快速發展，對作為核心零部件的齒輪提出了更高的要求。粉末冶金作為一種近凈成形技術，可滿足齒輪輕量化、低成本、低能耗的要求，因而被廣泛應用于汽車用齒輪制備[1-3]。

某品牌汽車在行駛了23300km后，在某次行駛過程中突然熄火，經檢查，發動機上的曲軸鏈齒輪發生了損壞。該失效齒輪材質為鐵基，為德國牌號SINT D11，采用粉末冶金方法制造。為找出齒輪斷裂原因，預防此類現象再次發生，保護消費者的生命財產安全，文章對其進行失效分析。

1 實驗與分析

采用阿基米德排水法測量樣品密度；采用JXA-8100掃描電鏡對失效齒輪進行斷口分析；采用DMI3000M型金相顯微鏡觀察樣品的金相組織；采用Spectrote test直讀光譜分析儀測量化學元素含量；采用ZHU-S型維氏顯微硬度計測試齒輪的維氏硬度。

1.1 宏觀分析

失效齒輪正面和側面宏觀形貌如圖1所示。該齒輪沿齒臺階轉角部位斷裂，有超過一半的齒脫落，且呈一次性斷裂特征，斷口周圍有明顯的摩擦痕跡。

圖1 失效粉末冶金齒輪宏觀形貌

1.2 理化性能分析

失效齒輪的理化性能分析結果如表1所示?？梢?，鐵基齒輪的化學成分和硬度均符合相關標準的要求，DIN 30910-4:2004為德國燒結金屬材料標準，但齒輪密度相比標準要求偏低。

表1 失效粉末冶金齒輪的理化性能

1.3 斷口分析

在掃描顯微鏡下觀察齒輪斷口，如圖2所示。齒輪斷口呈現裂紋由邊緣向中心擴展的特征，如圖2（a）箭頭所示。在斷裂源區呈現撞擊凹坑，如圖2（b）箭頭1所示，通過凹坑周圍斷口組織可以觀察到原始鐵粉顆粒形貌，部分鐵粉在燒結過程中只是形成燒結頸，原子擴散并未完成，粉末之間未形成徹底的冶金結合，如圖2（b）箭頭2所示。由圖2（c）可見，整個斷口圓滑鐵粉特征占較大比例，孔洞較多，形成燒結相對較少。從圖2（d）可觀察到，燒結相撕裂呈現解理和韌窩特征，該斷口屬過載斷裂[4]。

圖2 失效粉末冶金齒輪斷口顯微鏡圖

斷口分析顯示，斷口為一次過載斷裂，斷裂源區有撞擊痕跡，整個斷口呈現較多的圓滑鐵基粉末顆粒輪廓，未形成冶金結合，這種顆粒間僅以物理機械嚙合的方式導致齒輪零件強度較低。

1.4 金相分析

失效的曲軸鏈齒輪徑向金相組織如圖3所示。由圖3（a）可見，基體中孔隙約為20%。圖3（b）顯示，基體的金相組織為珠光體加少量鐵素體。從圖3（c）可觀察到齒輪臺階轉角處相比中間孔隙較多。齒頂有淬硬層，圖3（d）顯示淬硬層組織為回火馬氏體[5]。

圖3 失效粉末冶金齒輪金相組織

在距齒頂0.7mm部位顯微硬度值為401HV，符合圖紙要求（0.2～0.8mm內硬度大于360HV）。

2 綜合分析

汽車曲軸鏈齒輪為過載斷裂，在齒輪的臺階轉角部位發現了碎片撞擊的痕跡，且齒輪以該撞擊點為起點發生撕裂。齒輪斷口以圓滑狀原始鐵基粉末顆粒為主，燒結相撕裂特征較少，表明該材料強度很低。由于齒輪強度低，當受到碎片撞擊時，在孔隙最多、強度最低的齒輪臺階轉角處易因不能抵抗外力的作用而發生斷裂。

齒輪材料檢測結果顯示，齒輪為粉末冶金方法制備，化學成分基本符合標準要求，但密度偏低。對于粉末冶金零件，密度低對應較大的孔隙度。金相組織顯示孔隙約占基體的20%，齒輪臺階轉角處相比中間孔隙較多。齒輪斷口顯示燒結相撕裂特征較少，較多原始鐵基粉末顆粒僅形成燒結頸，因而導致齒輪整體強度較低。這可能是在齒輪壓制成形后，燒結過程中燒結溫度較低或燒結時間較短，此時鐵基粉末之間僅形成燒結頸，塑性流動和體積擴散不充分，燒結致密化未徹底導致。

3 結束語

文章采用宏觀分析、斷口分析、金相組織檢驗、理化檢驗等方法對齒輪斷裂失效原因進行了分析。結果表明，在燒結過程中由于燒結溫度較低或燒結時間短，粉末冶金鐵基齒輪燒結致密化不徹底，導致齒輪密度低、孔隙度高、強度偏低，在行駛振動過程中會因不能抵抗碎片撞擊而失效。文章研究為此類粉末冶金鐵基齒輪的質量改進提供了依據，可有效保護消費者的生命財產安全。