江蘇飛船股份有限公司 （225516） 金林奎

汽車弧齒錐齒輪是汽車的關(guān)鍵傳動部件。齒輪表面硬度較高且具有高的耐磨性，心部有較高的強(qiáng)度和較好的韌性，這就決定了汽車用弧齒錐齒輪的特征性能。因此，必須選用低碳合金鋼進(jìn)行表面滲碳處理，才能滿足汽車齒輪的綜合力學(xué)性能要求，保證工件正常使用。滲碳的主要目的是在低碳鋼工件表面得到較高的含碳量，然后經(jīng)淬火+低溫回火，使工件表面獲得高的硬度及耐磨性，心部仍保持一定的強(qiáng)度和韌性。

汽車用弧齒錐齒輪，其滲碳劑主要組分為一氧化碳或甲烷，產(chǎn)生活性碳原子被工件表面吸附并由工件表層向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定的碳濃度梯度。隨后在淬火、回火處理過程，工件得到由表及里的硬度梯度，既保證工件表面有較高的硬度和耐磨性（表面硬度為57～63HRC），又使心部有一定的強(qiáng)度和韌性（心部硬度為35～45HRC）。

1. 狀態(tài)

2010年4月14日用戶反饋，共有三只457主從動弧齒錐齒輪，在正常服役過程中斷裂失效，使用壽命都很低。由產(chǎn)品標(biāo)記核查得知，Ⅰ號樣457主動錐齒輪，使用壽命為5個月，失效狀態(tài)為齒部剝落。Ⅱ號樣457從動錐齒輪，使用壽命為6個月，失效狀態(tài)為沿螺紋孔斷裂。Ⅲ號樣457從動錐齒輪，使用壽命只有3個月左右，失效狀態(tài)同樣為沿螺紋孔斷裂。457主從動弧齒錐齒輪的材質(zhì)均為22CrMoH低碳合金結(jié)構(gòu)滲碳鋼。工件的加工工藝流程為：軋制圓鋼下料→熱鍛齒坯→齒坯正火→滲碳淬火+回火→磨削后包裝。現(xiàn)分別對三只失效件進(jìn)行理化檢驗(yàn)。

2. 分析

（1）Ⅰ號樣 該失效件為弧齒錐齒輪系列中457主動錐齒輪。材料化學(xué)成分及熱處理性能試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。斷裂部位為齒部剝落，裂紋處宏觀觀察，裂紋源附近色澤較深。斷裂方式沿裂紋源向四周擴(kuò)展，呈放射狀分布。顯微組織分析，在裂紋垂直部位，觀察到裂紋已呈開口狀態(tài)，并延續(xù)伸長約1mm深度，裂紋四周有明顯的回火色澤（見圖1）。經(jīng)UD-200M金相顯微鏡高倍觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋側(cè)面上有一條逆向伸展的裂紋（見圖2），裂紋內(nèi)有大量氧化物等雜質(zhì)。鑒于裂紋是逆向擴(kuò)展，該裂紋可以推斷為鍛造表面折疊所致。

表1 Ⅰ號樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 熱處理性能測試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 裂紋周圍有明顯回火色澤

圖2 裂紋側(cè)面逆向伸展裂縫

由于鍛造溫度高，工件表面在高溫下接觸空氣而脫碳氧化，鍛造工藝不當(dāng)造成表面折疊。由于表層過熱的作用，使組織中的硫化物等雜質(zhì)第二相組織沿晶界析出，晶界組織結(jié)構(gòu)嚴(yán)重弱化（見圖3）。在隨后的熱處理滲碳淬火過程中產(chǎn)生膨脹拉應(yīng)力，致使弱化的晶界開裂。服役期間承載力使斷裂面進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖3 沿晶界分布網(wǎng)狀裂紋及回火色澤

（2）Ⅱ號樣 該失效件為弧齒錐齒輪系列中457從動錐齒輪。斷裂部位在螺紋孔邊緣，宏觀觀察，在螺紋孔底部裂源處為多源疲勞臺階，說明在該處形成較強(qiáng)的應(yīng)力集中。對工件齒部進(jìn)行正常檢查，各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果見表3、表4（金相組織見圖4、圖5）。對螺紋齒槽進(jìn)行檢查（見圖6、圖7），齒槽表面脫碳層為0.05mm；脫碳區(qū)域硬度為26.5HRC，硬度值極低。沿脫碳層向里為滲碳層，滲碳層深度0.80mm，滲碳層內(nèi)硬度達(dá)58.0HRC（要求≤45HRC）。由于螺紋齒槽表面脫碳層硬度極低，使表層組織性能明顯下降，而內(nèi)層硬度偏高（防滲處理不合理），螺紋部位應(yīng)力增大。因此，工件在使用過程中，極易造成應(yīng)力集中開裂，表層脫碳層加劇開裂的程度。

表3 Ⅱ號樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 Ⅱ號樣熱處理性能測試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖4 齒部馬氏體及殘留奧氏體

圖5 心部低碳板條馬氏體

圖6 螺紋底槽部位表面脫碳層

圖7 螺紋底槽部位表面脫碳層

我們對螺紋孔脫碳機(jī)理進(jìn)一步探討，認(rèn)為該脫碳層形成的原因是由于在滲碳前期強(qiáng)滲過程中，螺紋孔防滲不嚴(yán)密，使表層有滲碳跡象。滲碳后期擴(kuò)散效果不好，爐內(nèi)碳勢偏低或壓力不夠，造成表層碳原子向外擴(kuò)散的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象對于正常滲碳部位（如齒面），不會出現(xiàn)明顯的脫碳層，因?yàn)榍捌跐B碳濃度較高。而對于螺紋孔內(nèi)表層就不一樣，前期滲碳過程中，表層只有少量的碳勢或很淺的滲碳層，后期表層碳原子向外擴(kuò)散，就會給原本碳勢不高的區(qū)域造成明顯的脫碳現(xiàn)象。加上螺紋孔內(nèi)的油漬、污垢，經(jīng)過高溫分解生成的產(chǎn)物對表層的氧化脫碳起到促進(jìn)作用。

（3）Ⅲ號樣 Ⅲ號失效件與Ⅱ號失效件為同一種產(chǎn)品，且斷裂部位相同，為此對Ⅲ號失效件同樣進(jìn)行齒部及螺紋部位全面檢查。材料及性能檢查結(jié)果見表5、表6。在螺紋部位檢查時，發(fā)現(xiàn)螺紋底部有明顯的腐蝕坑（見圖8），在腐蝕坑的次表層有較多的開放型及封閉型點(diǎn)腐蝕和顯微沿晶裂紋（見圖9）。腐蝕坑深度0.10mm左右，裂紋深度0.08mm（圖10為未經(jīng)侵蝕過的螺紋底槽部位組織）。螺紋部位腐蝕坑及沿晶裂紋顯示，該失效件為典型的應(yīng)力腐蝕斷裂。

應(yīng)力腐蝕是指在一定的腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力作用下，由于電化學(xué)腐蝕而引起的過程，導(dǎo)致正常的延性材料迅速開裂及早期脆性斷裂。該工件螺紋孔內(nèi)有大量的油漬、污垢，填滿螺紋底槽。由于油漬、污垢內(nèi)含有各種碳、氫、氧、硫所組成的腐蝕產(chǎn)物，對齒輪產(chǎn)品不斷進(jìn)行侵蝕。該產(chǎn)品在庫房中已存放了三年以上（由工件號查明），工件本身存在淬火應(yīng)力，在腐蝕物作用下，首先破壞表面氧化膜，氧化膜局部穿透形成腐蝕坑孔，沿腐蝕坑孔處應(yīng)力集中，造成應(yīng)力腐蝕裂紋。在工件服役過程中，強(qiáng)大的載荷以及淬火殘留應(yīng)力，加速裂紋的擴(kuò)展，最終形成晶間應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂。

表5 Ⅲ號樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 Ⅲ號樣熱處理性能測試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖8 螺紋底槽部位腐蝕坑孔

圖9 螺紋底槽部位腐蝕坑及裂紋

圖10 未經(jīng)侵蝕的螺紋底槽部位

3. 改進(jìn)

（1）加強(qiáng)鍛件表面質(zhì)量控制。

（2）鍛坯切齒加工后，進(jìn)行無損檢測。

（3）清洗齒輪螺紋孔，涂防滲劑，擰上螺栓，然后滲碳熱處理。

（4）對滲碳爐內(nèi)碳勢嚴(yán)格監(jiān)控。

（5）成品浸防銹油，改防銹紙包扎為塑料袋密封包裝。

（6）包裝箱下鋪設(shè)瀝青氈布防地面潮濕。

（7）成品倉庫安裝除濕機(jī)和濕度儀，保證倉庫內(nèi)濕度在規(guī)定范圍內(nèi)。

4. 結(jié)語

改進(jìn)措施實(shí)施后，一年多的實(shí)際跟蹤檢查，未發(fā)現(xiàn)類似斷裂失效現(xiàn)象。通過上述汽車齒輪失效件的分析和研究，對不良品及時制訂糾正和預(yù)防措施，并對實(shí)施的結(jié)果進(jìn)行跟蹤檢查和質(zhì)量控制。齒輪產(chǎn)品質(zhì)量控制是全過程的控制，為了提高汽車齒輪質(zhì)量，必須控制整個產(chǎn)品加工工序，嚴(yán)格按照加工過程作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行操作。根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，保證齒輪質(zhì)量，以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。