重載滲碳齒輪斷裂失效分析

黃山，王克之

桂林福達(dá)齒輪有限公司 廣西桂林 541199

1 序言

錐齒輪是工業(yè)中非常重要的機(jī)械零件，主要特點(diǎn)是可以承受較大的負(fù)荷，工作平穩(wěn)，噪聲和振動(dòng)小，廣泛用于汽車主減速器上，在傳遞功率和運(yùn)動(dòng)過程中起著至關(guān)重要的作用[1]。引起齒輪失效主要與工作條件有關(guān)，主要包括應(yīng)力狀況、載荷、溫度及環(huán)境等。齒輪失效的主要因素包括設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝、環(huán)境和使用等方面。

齒輪斷口分析是判斷齒輪斷裂形式和斷裂機(jī)理的重要技術(shù)手段，斷口形貌可真實(shí)地記錄裂紋的起因、擴(kuò)展和斷裂的過程，因此它不僅是研究斷裂過程微觀機(jī)制的基礎(chǔ)，同時(shí)也是分析斷裂原因的可靠依據(jù)。由于齒輪表面殘余應(yīng)力對(duì)齒輪疲勞壽命有重要影響，因此殘余應(yīng)力檢測(cè)分析已成為新興的失效分析檢測(cè)手段。

2 斷裂失效齒輪背景調(diào)查

失效齒輪為某普通牽引車型中橋的齒輪副從動(dòng)輪兩齒斷裂，主動(dòng)輪完好。該車試用8個(gè)月，行駛里程為100573km，零件三包期限為18個(gè)月，發(fā)生故障時(shí)仍在三包期內(nèi)，其相關(guān)件橋殼完好，與齒輪副無干涉，主動(dòng)輪、從動(dòng)輪螺紋及裝配螺母完好，無松動(dòng)潛在相關(guān)影響。齒輪使用的材料為22CrMoH鋼（日本牌號(hào)SCM822），該材料具有較高經(jīng)濟(jì)性和適合的力學(xué)性能，多用于中型汽車后橋主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪。重載滲碳齒輪熱處理一般技術(shù)要求為：1/2齒高處有效硬化層深度1.7～2.1mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～45HRC，馬氏體級(jí)別1～4級(jí)，殘留奧氏體1～4級(jí)，碳化物1～2級(jí)，心部組織1～4級(jí)，表層非馬氏體厚度≤0.02mm，晶粒度高于6級(jí)。

滲碳淬火從動(dòng)齒輪生產(chǎn)工藝過程如下：圓鋼下料→鍛造→等溫正火→粗車→精車→鉆孔、攻螺紋→銑齒→倒棱→清洗→熱處理（滲碳、壓淬、低溫回火）→拋丸清理→車內(nèi)孔→研齒配對(duì)→包裝入庫(kù)。失效齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 失效齒輪結(jié)構(gòu)

3 失效分析設(shè)備

在失效分析過程中，常用設(shè)備儀器主要有金相顯微鏡、直讀光譜儀、維氏硬度計(jì)、洛氏硬度計(jì)、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線應(yīng)力分析儀及電解拋光儀等。

4 斷口宏觀形貌分析

當(dāng)金屬零件所受的應(yīng)力大于材料的臨界強(qiáng)度時(shí)，零件通常會(huì)產(chǎn)生斷裂，并在斷裂處形成斷口。斷口分析是各種失效分析手段中最主要的分析方式，斷裂的位置通常處于零件結(jié)構(gòu)或材料組織最脆弱的地方。斷口的出現(xiàn)除了與材料的成分、組織及零件的結(jié)構(gòu)相關(guān)，還與零件斷裂時(shí)所受力情況及外界使用環(huán)境相關(guān)。由于斷面內(nèi)包括了試樣斷裂失效整個(gè)過程的大量信息，所以通過對(duì)斷口的形態(tài)觀察，分析其所記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，就能研究斷裂的性質(zhì)、原因、形式，以及所受應(yīng)力狀態(tài)等諸多信息。

斷口就是打開的裂紋，包含了從裂紋的產(chǎn)生到最后發(fā)生斷裂的整個(gè)過程，而其他裂紋可能是伴隨著斷口產(chǎn)生的，通常并不包括斷裂剛開始時(shí)的信息。進(jìn)行宏觀斷口分析的目的是確定裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，查明斷裂生產(chǎn)的機(jī)理，是完成失效分析的基礎(chǔ)。

通過宏觀斷口觀察（見圖2），主動(dòng)輪完好，從動(dòng)輪有1#、2#兩個(gè)齒出現(xiàn)斷齒，其中1#齒可見明顯光亮輝紋，為典型接觸疲勞斷裂形式。相鄰斷齒無明顯疲勞斷裂特征，呈深灰色沖擊韌性斷口。同一構(gòu)件系統(tǒng)中出現(xiàn)兩種性質(zhì)不同斷裂特征，在這種情況下應(yīng)先確定首個(gè)斷裂部位?；驹瓌t為既有疲勞斷裂又有沖擊韌性斷裂，一般疲勞斷裂發(fā)生在前[2]，由此分析得出1#齒先斷裂，2#齒是被1#齒碎片打斷的。進(jìn)一步對(duì)1#齒進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)1#齒斷口處既有疲勞斷裂特征也有韌性斷裂特征。當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，裂紋源區(qū)存在于疲勞裂紋一側(cè)。宏觀粗視分析結(jié)論為1#齒凹面近齒根處齒面次表層最先出現(xiàn)顯微裂紋，隨著疲勞應(yīng)力的增加，在表面滲碳層先出現(xiàn)壓碎（壓潰），裂紋進(jìn)一步向心部擴(kuò)展，到交界剪切唇處失穩(wěn)斷裂，而斷裂的碎片將2#齒打斷。下面將對(duì)1#齒的裂紋源區(qū)、剪切唇和心部韌性斷裂進(jìn)行微觀形貌分析。

圖2 斷裂從動(dòng)齒宏觀形貌

5 斷口微觀形貌分析

對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡顯微觀察，圖3所示為斷口齒輪疲勞源區(qū)SEM形貌，圖4所示為疲勞擴(kuò)展區(qū)SEM形貌，圖5所示為瞬斷區(qū)SEM形貌。斷口裂紋源位于齒輪凹面中下部，裂紋擴(kuò)展過程還產(chǎn)生其他的次生微裂紋，在變載荷應(yīng)力作用下，齒輪凹面中部接觸區(qū)咬合面近齒根的表層處首先產(chǎn)生顯微裂紋，出現(xiàn)齒面壓潰剝落。接著裂紋呈人字花樣往心部擴(kuò)展，最終在剪切唇處斷裂，心部瞬斷區(qū)可見明顯韌窩準(zhǔn)解理形貌特征。裂紋兩側(cè)，未見明顯夾雜物及第二相缺陷。

圖3 斷口齒輪疲勞源區(qū)SEM形貌

圖4 疲勞擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

圖5 瞬斷區(qū)SEM形貌

斷裂性質(zhì)確定為接觸疲勞裂紋。

1）斷口裂紋源位于齒輪凹面中下部，裂紋擴(kuò)展過程還產(chǎn)生其他次生微裂紋。

2）裂紋源微觀形貌為接觸疲勞特征，心部微觀形貌為韌窩加解理特征。

6 理化分析

（1）化學(xué)成分分析 檢測(cè)齒輪所選用材料的化學(xué)成分是否滿足圖樣技術(shù)要求，采用Q8直讀光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分，結(jié)果見表1。

表1 斷裂齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

從表1可看出，齒輪材料化學(xué)成分符合G B/T 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》要求。

（2）有效硬化層深度 有效硬化層深度是滲碳齒輪的重要技術(shù)指標(biāo)。若有效硬化層過淺，齒輪的耐磨性不足；若有效硬化層過深，會(huì)加劇硬化層坍塌剝落速度。本失效件測(cè)定了主減速器從動(dòng)錐齒輪的硬度層深和梯度，按GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算，550HV1硬度的有效硬化層深度為2.18mm，硬化層略超深。

（3）晶粒度 按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》中的比較法，與標(biāo)準(zhǔn)系列評(píng)級(jí)圖進(jìn)行對(duì)比，用比較法一般存在一定的偏差（±0.5級(jí)），本次分析試樣晶粒度為7.0級(jí)，符合細(xì)晶粒標(biāo)準(zhǔn)要求（晶粒度細(xì)于6級(jí)）。

（4）非金屬夾雜物 在從動(dòng)錐齒輪上取金相試樣，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》規(guī)定進(jìn)行夾雜物評(píng)定，材料中個(gè)別視場(chǎng)的夾雜物、硫化物和均勻性略有超標(biāo)。

（5）金相組織 在主減速器從動(dòng)錐齒輪上取金相樣，金相組織按QC/T 262—1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》進(jìn)行評(píng)定，馬氏體4級(jí)（見圖6），殘留奧氏體3級(jí)（見圖7），碳化物1級(jí)，心部3級(jí)（見圖8）。從圖6～圖8可看出，馬氏體、殘留奧氏體、碳化物和心部游離鐵素體均滿足金相組織要求。按GB/T 6394—2017進(jìn)行評(píng)定，晶粒度為7.5級(jí)，合格。表面硬度61HRC、心部硬度39.5HRC符合圖樣技術(shù)要求。另外，在整個(gè)齒面上均存在不同程度的內(nèi)氧化現(xiàn)象，齒面內(nèi)氧化深度為0.02mm，齒根處內(nèi)氧化（非馬氏體組織）深度最大為0.025mm（見圖9）。從橫截面觀察齒面裂紋，發(fā)現(xiàn)微裂紋起源于表面的內(nèi)氧化。

圖6 表面馬氏體組織（500×）

圖7 殘留奧氏體組織（500×）

圖8 心部組織（500×）

圖9 內(nèi)氧化（500×）

整個(gè)齒面上均存在內(nèi)氧化現(xiàn)象，這相當(dāng)于齒面上存在較多的“刀口”，在較大的齒面接觸工作應(yīng)力作用下，齒面迅速在內(nèi)氧化的“刀口”處形成微裂紋，并向脆性滲碳層內(nèi)部發(fā)展和延伸。非馬氏體組織是由內(nèi)氧化的貧合金化元素導(dǎo)致而形成。 一旦形成此類組織，其后果是降低最表面硬度 (一般指 ≤0.05mm處的硬度 ) 、耐磨性及疲勞極限，且由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域萌生細(xì)微裂紋并向更深的地方延伸[3]。

7 殘余應(yīng)力檢測(cè)分析

殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備參數(shù)見表2。失效件從動(dòng)齒（未強(qiáng)化噴丸）和經(jīng)表面強(qiáng)化噴丸樣件殘余應(yīng)力對(duì)比見表3。

表2 22CrMoH鋼從動(dòng)齒輪殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備參數(shù)

表3 強(qiáng)化噴丸前后表面殘余應(yīng)力對(duì)比

齒輪強(qiáng)化噴丸是提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度的有效途徑之一。由于噴丸強(qiáng)化提高了表面壓應(yīng)力而顯著改善其疲勞性能，因此對(duì)于承受高周波疲勞載荷的工件更為有效。噴丸強(qiáng)化形成的殘余壓應(yīng)力可抵消部分外加載荷。噴丸時(shí)小尺寸球形鋼丸擊打工件表面而形成壓應(yīng)力，每一彈丸的沖擊都會(huì)使金屬產(chǎn)生一定的塑性變形，最終因表面不能完全回復(fù)而形成了永久的壓應(yīng)力狀態(tài)。作為一種表面強(qiáng)化工藝，噴丸能在表面形成殘余壓應(yīng)力，相當(dāng)于材料抗拉強(qiáng)度極限的55%～60%，而工件表面恰是容易萌生裂紋的地方。對(duì)于滲碳淬火齒輪，所形成的壓應(yīng)力可達(dá)1177～1725MPa，可大大改善疲勞性能。壓應(yīng)力層深度是噴丸強(qiáng)度（或噴丸能量）的函數(shù)，隨著彈丸尺寸或彈丸速度的增加而增加。從殘余應(yīng)力測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證數(shù)據(jù)看，經(jīng)過表面強(qiáng)化工藝，齒根部表面殘余壓應(yīng)力由824MPa提高到1252MPa，接觸疲勞性能得到大幅提升。

8 結(jié)論

通過齒輪斷口分析、理化分析、金相組織及殘余應(yīng)力分析，得出重載滲碳齒輪失效的原因如下。

1）裂紋源位于齒輪凹面中下部表面，失效斷裂形式為接觸疲勞斷裂。

2）齒面及齒根上存在的內(nèi)氧化，弱化了晶界，降低了齒輪接觸疲勞強(qiáng)度。

3）從動(dòng)齒輪材料純凈度和均勻性略有超標(biāo)，熱處理壓淬后齒輪變形不一致，與主動(dòng)齒輪工作嚙合時(shí)由于受力偏載而產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速了齒輪斷裂。

9 建議和措施

1）齒輪在滲碳淬火及回火后，因?yàn)榇嬖趦?nèi)氧化軟層，所以在噴丸強(qiáng)化處理時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源的起點(diǎn)。建議在保證材料淬透性的前提下選用低Si材料，盡量控制Cr、Mn、Ti、V等合金元素含量，滲碳原料氣（甲醇或天然氣）采用凈化處理，減少氧化性組分，如水、硫等雜質(zhì)的含量，減輕熱處理后產(chǎn)品的內(nèi)氧化程度。

2）強(qiáng)化噴丸可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。

3) 從材料源頭控制夾雜物的純凈度和偏析，配合實(shí)施壓淬工藝減小熱處理變形，提高接觸區(qū)一致性，改善工況。