■ 張茂國

齒輪在變速器中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒面承受接觸應(yīng)力，齒根部位承受彎曲應(yīng)力。因此，齒輪的失效形式主要分為齒面疲勞引起的點(diǎn)蝕、剝落和齒根疲勞引起的斷齒。滲碳淬火作為高速重載齒輪最常用和最成熟的工藝，能夠同時(shí)提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，但是由于滲碳淬火工藝較復(fù)雜，因此在熱處理過程中會(huì)產(chǎn)生各種類型的缺陷，反而導(dǎo)致齒輪的早期失效。

我公司新開發(fā)的某型變速器總成在進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)，某檔位齒輪發(fā)生了斷齒。設(shè)計(jì)要求該齒輪材料為8620H，滲碳后經(jīng)淬火和低溫回火處理，有效硬化層深0.8～1.3mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度30～45HRC。為了確定斷齒原因，對其斷口形貌、材質(zhì)、熱處理質(zhì)量等進(jìn)行了檢測和分析。

圖1 斷齒全貌

圖2 斷口形貌

圖3 裂紋源

1. 理化檢測分析

（1）宏觀觀察 失效齒輪整體形貌如圖1所示，部分齒輪從齒根部位整體斷裂，斷齒數(shù)量超過總齒數(shù)的一半。斷口宏觀形貌如圖2所示。從斷口形貌上觀察，大部分?jǐn)嗫诔拭黠@的疲勞斷裂特征，斷裂源位于齒根處，疲勞擴(kuò)展區(qū)光滑，呈放射狀向外擴(kuò)展，面積占整個(gè)齒根面積的1/3～1/2，瞬斷區(qū)斷口較粗糙，呈暗灰色。除疲勞斷口外，有部分齒輪斷口無疲勞斷裂特征，為一次性過載斷裂。

（2）斷口微觀形貌 經(jīng)過取樣，在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌。裂紋源形貌如圖3所示，裂紋源位于齒根部位，從圖中可以觀察到，該斷口裂紋源并未收斂于一點(diǎn)，而是呈線形，裂紋源經(jīng)過反復(fù)摩擦和擠壓后表面光滑，在裂紋源部位進(jìn)一步放大觀察到局部有黑色異常組織（見圖4）；放大至1000倍，觀察疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖5所示，在高倍下可以觀察到疲勞輝紋，并有放射棱線；瞬斷區(qū)形貌為韌窩+準(zhǔn)解理斷口（見圖6），說明齒輪心部韌性較好。

（3）齒輪材質(zhì)檢測 在失效齒輪上取樣做化學(xué)成分分析，結(jié)果如附表所示。該齒輪化學(xué)成分符合SAEJ1268標(biāo)準(zhǔn)對8620H鋼的技術(shù)要求。

（4）齒輪熱處理質(zhì)量檢測 在斷齒附近取未斷裂齒輪檢測熱處理質(zhì)量。表面硬度61HRC，心部硬度45HRC；表面組織為馬氏體和殘留奧氏體，殘留奧氏體含量約為15%，心部為板條馬氏體及少量的貝氏體；1/2齒高處有效硬化層深度為1.01mm。該齒輪經(jīng)滲碳淬火處理，熱處理各項(xiàng)指標(biāo)均符合圖樣設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)一步將試樣沿齒寬中部用精密切割機(jī)剖開制樣后，在金相顯微鏡下觀察切割面齒根部位的金相組織。在未腐蝕的情況下（見圖7）可以看到，齒根處有嚴(yán)重的黑色組織呈網(wǎng)狀分布，平均深度約為20μm，個(gè)別黑色組織深度達(dá)到30μm，有一條平直裂紋從齒根的黑色組織處形成并向內(nèi)沿垂直齒根方向擴(kuò)展；腐蝕后觀察（見圖8），裂紋兩側(cè)為正常的滲碳淬火組織；對試樣的兩個(gè)端面齒根處進(jìn)行金相觀察，并未發(fā)現(xiàn)裂紋。通過以上檢測，認(rèn)為觀察到的裂紋產(chǎn)生于使用過程中，說明檢測的齒已經(jīng)產(chǎn)生了疲勞裂紋并擴(kuò)展，在發(fā)生斷裂之前試驗(yàn)已停止，如繼續(xù)試驗(yàn)預(yù)計(jì)也會(huì)發(fā)生斷裂；從金相組織分析，裂紋的產(chǎn)生與齒根部位的黑色組織有密切關(guān)系。

圖4 裂紋源黑色組織

圖5 疲勞擴(kuò)展斷口

圖6 瞬斷區(qū)韌窩+準(zhǔn)解理形貌

圖7 齒根處黑色組織及裂紋（500×）未腐蝕

圖8 裂紋兩側(cè)組織（50×）4%硝酸酒精溶液浸蝕

化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 （%）

2. 分析和討論

失效齒輪大部分?jǐn)帻X為疲勞斷裂，裂紋起始于齒寬中部齒根部位。從齒根部位的金相觀察和掃描電鏡觀察結(jié)果看，黑色組織在齒輪使用過程中成為裂紋萌生的源頭，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，裂紋源擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪斷裂失效。

合金鋼滲碳后，表層組織中往往出現(xiàn)沿晶界分布的點(diǎn)狀、網(wǎng)狀或帶狀黑色組織。該類組織產(chǎn)生的原因是由于滲碳介質(zhì)中的氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散，在晶界上形成鉻、錳、鈦、硅等元素的氧化物，使得晶界處合金元素貧化，造成局部淬透性下降，從而出現(xiàn)了黑色的奧氏體分解產(chǎn)物（屈氏體等）。國內(nèi)外研究表明，黑色組織的存在，顯著地降低零件表面硬度、彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，嚴(yán)重影響零件的使用壽命，因此國內(nèi)外知名的車輛制造廠家大都對黑色組織深度有明確規(guī)定，如德國奔馳、寶馬公司要求該組織深度必須在3μm以下，一汽集團(tuán)公司也計(jì)劃將黑色組織深度從原來規(guī)定的20μm以下減少到3μm以下。

3. 改進(jìn)建議

經(jīng)過以上檢測分析可知，必須嚴(yán)格控制滲碳淬火零件表面金相組織中黑色組織的深度。根據(jù)其形成的原理，控制黑色組織主要從以下兩個(gè)方面著手：①提高滲碳?xì)怏w的純度，減少氧的含量，如嚴(yán)格控制甲醇、丙酮等滲碳劑的純度和含水量，嚴(yán)格控制通入空氣的量。②采用更加激烈的淬火冷卻方式，如采用淬火冷卻性能更強(qiáng)的淬火冷卻介質(zhì)或采用更快的淬火冷卻攪拌等。

[1] 安運(yùn)錚，等.熱處理工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：208.

[2] 丁惠麟，金榮芳.機(jī)械零件缺陷、失效分析與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：272.

[3] 李志義，李曉澎.滲碳淬火件表層非馬氏體組織形成原因和防止措施[J].金屬熱處理，2000（11）：37.