車橋從動(dòng)齒輪材料疏松缺陷分析

高永強(qiáng)

鄭州華威齒輪有限公司 河南鄭州 450000

主動(dòng)、從動(dòng)錐齒輪是汽車后橋傳動(dòng)的主要承載傳動(dòng)件，也是汽車底盤的核心部件，其穩(wěn)定可靠工作是汽車安全運(yùn)行的重要保證，其質(zhì)量的好壞直接影響到車輛的正常行駛。

目前，國(guó)內(nèi)外汽車后橋齒輪主要的失效形式是斷齒。其中有一部分是由于車輛超載造成，還有一部分是齒輪材料缺陷如縮孔（縮松）所致，從而造成車輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)打齒失效。而材料冶煉技術(shù)的提高是我國(guó)鋼鐵行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

汽車后橋齒輪在加工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)從動(dòng)齒輪內(nèi)孔臺(tái)階R角處存在孔洞類缺陷，同時(shí)在齒輪的兩處齒根位置也出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的孔洞類缺陷。

齒輪主要加工過(guò)程為：下料→鍛造成型→等溫正火→機(jī)加工→滲碳→淬火→拋丸→研齒。目前，出現(xiàn)上述缺陷的齒輪有4件，均是在淬火后發(fā)現(xiàn)的，由于該齒輪缺陷基本屬一類，于是就針對(duì)該齒輪的缺陷展開分析（材料為20CrMnTi）。

對(duì)淬火后發(fā)現(xiàn)存在缺陷的1件齒輪（命名為“加工齒輪”）進(jìn)行外觀觀察，對(duì)人為打斷的缺陷處斷口進(jìn)行宏微觀觀察和能譜分析，對(duì)缺陷處的金相進(jìn)行檢查和能譜分析，對(duì)齒輪原料進(jìn)行高低倍組織、夾雜物檢查和熱模擬試驗(yàn)，在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定缺陷的性質(zhì)，分析缺陷產(chǎn)生原因。

檢驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.宏觀觀察

齒輪外觀及缺陷位置如圖1所示，缺陷主要分布在內(nèi)孔臺(tái)階R角處，呈大小不等的孔洞類缺陷特征。

圖1 加工齒輪外觀及缺陷位置

齒輪缺陷外觀如圖2所示，缺陷形狀不規(guī)則，主要分布在輪齒靠?jī)?nèi)孔的中下部區(qū)域，截面呈縮孔狀特征，橫截面上可見(jiàn)缺陷位于流線狀形貌末端。

圖2 加工齒輪缺陷外觀

2.齒輪微觀觀察

人為打開齒輪兩處缺陷（分別命名為缺陷區(qū)1和缺陷區(qū)2），對(duì)缺陷區(qū)及附近完好區(qū)斷口進(jìn)行宏微觀觀察。

兩個(gè)缺陷區(qū)的斷口宏微觀特征相似：斷口宏觀較粗糙，缺陷區(qū)色澤較暗（暗灰黑色），完好區(qū)色澤較亮（銀灰色），分別如圖3和圖4所示；缺陷區(qū)可見(jiàn)顆粒狀沿晶形貌，沿晶面附著較多顆粒物、無(wú)明顯斷裂特征，分別如圖5和圖6所示，裸露在齒輪表面的缺陷區(qū)氧化、污染較重；缺陷區(qū)可見(jiàn)自由凝固面、其上可見(jiàn)晶界及夾雜物特征，如圖7和圖8所示；完好區(qū)可見(jiàn)沿夾雜物斷裂特征，如圖9和圖10所示。

圖3 加工齒輪缺陷區(qū)1斷口宏觀

圖4 加工齒輪缺陷區(qū)2氧化污染較重區(qū)

圖6 加工齒輪缺陷區(qū)2沿晶形貌發(fā)

圖7 加工齒輪缺陷自由凝固面及夾雜物

圖8 加工齒輪缺陷區(qū)自由凝固面及附近完好區(qū)沿夾雜物斷裂形貌

圖10 加工齒輪缺陷區(qū)2斷口宏觀

3.齒輪能譜分析

對(duì)加工齒輪缺陷區(qū)及附近完好區(qū)斷口進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，結(jié)果如圖11～圖13所示，缺陷區(qū)局部Mn、Cr等元素含量較高；夾雜物分為Al元素含量高的少量夾雜物和S、Mn元素含量較多的大量夾雜物（硫化錳夾雜）。

圖11 加工齒輪缺陷能譜分析

圖12 加工齒輪缺陷區(qū)夾雜物能譜分析位置2

圖13 加工齒輪夾雜物能譜分析位置

對(duì)加工齒輪缺陷區(qū)及附近完好區(qū)分別在拋光態(tài)和腐蝕態(tài)下進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，結(jié)果如圖14～圖15所示，缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好區(qū)高。

圖14 加工齒輪缺陷區(qū)（拋光態(tài)）能譜分析

圖15 加工齒輪正常區(qū)（拋光態(tài)）能譜分析位置

4.齒輪及原材料金相組織觀察

在齒輪缺陷區(qū)制取徑向截面試樣進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果如圖16所示，缺陷呈縮孔（縮松）狀特征，部分孔洞周邊可見(jiàn)脫碳及沿晶界析出鐵素體特征，正常區(qū)則為馬氏體組織。

圖16 齒輪缺陷區(qū)組織

對(duì)齒輪原材料進(jìn)行低倍組織檢查及能譜分析（見(jiàn)圖17），中心縮松（縮孔）級(jí)別在1～2級(jí)，滿足技術(shù)要求的≤2.5級(jí)。齒輪原材料縱向夾雜物主要是A類（硫化錳）細(xì)系、等級(jí)為 3級(jí) 的夾雜物，級(jí)別在技術(shù)要求≤3級(jí)的上限；能譜分析主要為O和Fe元素，含有一定Cr元素的夾雜物，如圖18所示。

圖17 原材料低倍組織、能譜分析位置

圖18 原材料縱截面金相組織

分析與討論

齒輪斷口缺陷區(qū)色澤較暗（暗灰黑色），完好區(qū)色澤較亮（銀灰色），缺陷區(qū)周邊金相組織可見(jiàn)脫碳缺陷區(qū)可見(jiàn)顆粒狀沿晶形貌，沿晶面無(wú)明顯斷裂特征（如棱線）、 附著較多顆粒物、局部顆粒物Mn、Cr等元素含量較高，可見(jiàn)自由凝固面，局部自由凝固面上有夾雜物（Al元素含量高的夾雜物和硫化錳夾雜物等）、Mn、Cr等元素含量較高，缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好區(qū)高。這表明齒輪缺陷的形成可能與元素偏析或夾雜物較多有關(guān)。

能譜分析表明，缺陷區(qū)沿晶面局部顆粒物Mn、Cr等元素含量較高、可見(jiàn)Mn元素為主、同時(shí)含有較高的O、Fe元素的顆粒物（應(yīng)為錳鐵的氧化物）及Mn、Cr元素為主、同時(shí)含有較高的O、Fe元素的顆粒物（應(yīng)為錳鉻鐵的氧化物），缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好區(qū)高，局部缺陷區(qū)及完好區(qū)斷口均可見(jiàn)較多夾雜物。這表明故障齒輪成分均勻性較差，存在夾雜物及偏析。

齒輪原材料低倍組織中可見(jiàn)中心疏松（常由鋼錠中心部位最后凝固收縮得不到鋼液補(bǔ)充造成縮松和在該區(qū)嚴(yán)重的氣體和夾雜物偏析所致）。原材料夾雜物主要是A類（硫化錳）細(xì)系、等級(jí)為 3級(jí) 的夾雜物（級(jí)別在技術(shù)要求≤3級(jí)的上限），可見(jiàn)Cr元素含量較高的夾雜物。這表明齒輪原材料中存在疏松和偏析。

以上分析表明，齒輪缺陷與原材料中存在較重的偏析和夾雜物、縮孔（縮松）有關(guān)。

結(jié)語(yǔ)

1）齒輪缺陷為呈縮孔（縮松）狀特征、而具有顆粒狀?yuàn)A雜物的孔洞，孔洞表面無(wú)明顯斷裂特征。

2）齒輪缺陷與原材料中存在較重的偏析和夾雜物、縮孔（縮松）有關(guān)。

3）孔洞表面顆粒狀?yuàn)A雜物中有錳鐵的氧化物和錳鉻鐵的氧化物。