兩例齒輪裂紋產(chǎn)生的原因分析

趙 寧

(西安法士特汽車傳動(dòng)有限公司，陜西西安 710075)

0 概述

汽車齒輪一般生產(chǎn)過(guò)程為鍛造→等溫正火→機(jī)械切削加工→滲碳淬火→磨削→成品。其中，齒輪在經(jīng)過(guò)滲碳淬火回火后，要進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，判斷其組織、硬化層深等是否合格。在汽車齒輪中出現(xiàn)裂紋是不允許的，即使是微觀裂紋，在后續(xù)的交變重載荷下，其裂紋源也會(huì)擴(kuò)展，使齒部出現(xiàn)斷裂、掉塊等現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪失效。齒輪的裂紋又分為肉眼可見(jiàn)的宏觀裂紋和微觀裂紋，宏觀裂紋在生產(chǎn)工序中很容易被發(fā)現(xiàn)隔離處理，而微觀裂紋則需要通過(guò)金相顯微鏡來(lái)識(shí)別[1]。本文通過(guò)對(duì)兩種齒輪裂紋的形成原因進(jìn)行分析，并找出預(yù)防出現(xiàn)裂紋的方法。

1 第1例宏觀裂紋分析

1.1 齒輪裂紋宏觀形貌

齒輪零件為汽車同步器齒轂，材料為8620H。該零件經(jīng)過(guò)正常滲碳淬火回火等熱處理后，在清理拋丸后發(fā)現(xiàn)齒部有裂紋，肉眼可見(jiàn)。打開(kāi)裂紋后，發(fā)現(xiàn)斷口表面嚴(yán)重銹蝕。齒輪裂紋宏觀形貌、斷口位置如圖1、圖2所示。

圖1 齒輪裂紋宏觀形貌

圖2 斷口位置

1.2 金相分析

按圖2白框所示取樣后，對(duì)切面進(jìn)行金相觀察，如圖3～圖6所示。觀察可見(jiàn)，整個(gè)切面上可見(jiàn)大量點(diǎn)、塊、條狀缺陷，接近端面分布較多，心部相對(duì)較少，且分布散亂。將切面部分缺陷局部放大，可見(jiàn)內(nèi)部存在灰黑色異相組織。腐蝕后觀察，部分缺陷組織處存在高碳馬氏體，見(jiàn)圖5，另有局部存在脫碳現(xiàn)象，組織主要為鐵素體，見(jiàn)圖6。

圖3 樣品切面

圖4 切面局部缺陷

圖5 腐蝕后缺陷附近組織

圖6 腐蝕后缺陷處組織

將斷口和樣品切面置于掃描電鏡下觀察，缺陷和斷口微觀形貌見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 斷口表面

圖8 切面缺陷形貌

由圖7可見(jiàn)，斷口表面存在孔洞和銹蝕，切面存在大量散亂分布的點(diǎn)、塊、條狀缺陷。圖8中存在多個(gè)形貌異常的庫(kù)塊狀組織。

1.3 能譜分析

對(duì)所取試樣切面處缺陷進(jìn)行能譜分析，圖9、圖10為分析能譜譜圖位置，對(duì)應(yīng)分析結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。

圖9 譜圖位置

圖10 譜圖位置

表1 圖9譜圖結(jié)果%

表2 圖10譜圖結(jié)果 %

1.4 結(jié)果分析

根據(jù)金相觀察可知，金相觀察未見(jiàn)過(guò)熱過(guò)燒組織。整個(gè)切面上均存在點(diǎn)、塊、條狀缺陷且分布散亂。部分缺陷處組織含有高碳馬氏體，因此判斷缺陷產(chǎn)生于熱處理滲碳之前，且較深處還存在大量的脫碳和氧化物。由此推測(cè)該缺陷應(yīng)產(chǎn)生于鍛造或者原材料冶煉環(huán)節(jié)[2]。根據(jù)能譜分析可知，缺陷處主要成分為O、Cr、Mn、Al等，鍛造過(guò)程難以產(chǎn)生圖10中O、Cr、Mn、Al含量較高的異相組織。綜合分析，筆者認(rèn)為應(yīng)從原材料方面查找原因。建議對(duì)進(jìn)廠的鋼材原材料加大夾雜等檢驗(yàn)力度，控制原材料質(zhì)量。

2 第2例微觀裂紋分析

2.1 樣品狀態(tài)

軸齒零件經(jīng)滲碳淬火回火后，金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)齒頂部位有裂紋，軸齒整體形貌見(jiàn)圖11。軸齒零件上切取2個(gè)試塊，A試塊上發(fā)現(xiàn)2個(gè)齒頂裂紋，B試塊上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖11 軸齒形貌

2.2 金相分析

A樣塊上兩條裂紋（編為裂紋1、裂紋2）的宏觀形貌見(jiàn)圖12、圖13，裂紋與齒頂形成1個(gè)小銳角。

圖12 裂紋1宏觀形貌

圖13 裂紋2宏觀形貌

裂紋1的形貌、裂紋1的金相組織見(jiàn)圖14、圖15。裂紋距表面深度約0.3 mm，長(zhǎng)度約1 mm；裂紋與表面平行，沿晶擴(kuò)展；裂紋附近有細(xì)小裂紋與主裂紋平行或垂直分布；裂紋兩側(cè)組織均為高碳馬氏體+殘余奧氏體，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳、氧化等現(xiàn)象。

圖14 裂紋形貌100×

圖15 裂紋金相組織500×

2.3 零件形貌

在體式鏡下觀察零件，在線切割切口的齒頂上發(fā)現(xiàn)有裂紋，形貌與金相樣塊上裂紋的宏觀形貌一致，見(jiàn)圖16、圖17。而未線切割部位，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖16 齒頂裂紋形貌

圖17 齒頂裂紋形貌

2.4 結(jié)果分析

裂紋兩側(cè)組織均為高碳馬氏體+殘余奧氏體，未發(fā)現(xiàn)脫碳、氧化等現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋產(chǎn)生在滲碳淬火回火后[3]。裂紋沿晶擴(kuò)展，裂紋部位未發(fā)現(xiàn)有磕碰痕跡，說(shuō)明裂紋為內(nèi)應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的裂紋。在每個(gè)線切割切口上均發(fā)現(xiàn)齒頂有裂紋，且裂紋形貌完全一致，其余部位未發(fā)現(xiàn)裂紋，判斷裂紋是線切割過(guò)程中齒頂內(nèi)應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的開(kāi)裂。后續(xù)應(yīng)將零件充分回火處理，保證在線切割過(guò)程中合理控制切割速度，冷卻水流量合理，避免產(chǎn)生開(kāi)裂。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種齒輪裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為宏觀裂紋應(yīng)產(chǎn)生于鍛造和材料的冶煉環(huán)節(jié)，應(yīng)從加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制入手進(jìn)行預(yù)防。而微觀裂紋則是由于加工過(guò)程中造成零件內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生，應(yīng)在回火處理和線切割等過(guò)程中予以注意。