40Cr變速箱齒輪斷裂原因分析

周 燕，鄭宏偉，王 磊

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035)

齒輪是變速箱內(nèi)部的核心組件，其可靠運(yùn)行是車輛正常行駛的必要前提。由于車輛行駛條件的多樣性以及平行軸式變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使齒輪的實(shí)際工況較為復(fù)雜[1-4]。齒輪在運(yùn)行過程中，嚙合齒面之間既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)，而且齒輪根部還將受到交變彎曲應(yīng)力的作用，要求齒輪表面有較高的硬度及耐磨性，心部具有較好的強(qiáng)韌性。齒輪材料通常為40Cr，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)后表面進(jìn)行高頻淬火[5-9]。

齒輪的斷齒會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行的安全性造成極大影響。因此，對(duì)40Cr齒輪的斷齒問題研究有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自某齒輪加工廠的40Cr斷齒零件，化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼的主要合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)40Cr斷齒零件進(jìn)行切割取樣，圖1中4個(gè)區(qū)域?yàn)樵摂帻X零件取樣部位，本試驗(yàn)所取4個(gè)斷齒分別按照?qǐng)D1中斷齒零件逆時(shí)針排序，其中1#斷齒和3#斷齒、2#斷齒和4#斷齒在斷齒零件上呈對(duì)稱分布。對(duì)4個(gè)斷齒試樣進(jìn)行宏觀斷口觀察，并取1#斷齒進(jìn)行掃描電鏡觀察。

將1#斷齒左側(cè)的齒根部位按圖1(a)中虛線進(jìn)行切割，經(jīng)研磨、拋光和侵蝕后，制備成金相試樣，如圖1(b)所示；分別檢測(cè)試樣從齒根處向下5、10、15、20和25 mm處的金相組織和硬度，此處硬度為“齒根處縱向硬度”，檢測(cè)部位如圖1(b)中黑色刻度所示；對(duì)圖1(a)中1#斷齒處斷口進(jìn)行超聲波清洗后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)失效斷口進(jìn)行觀察，圖1(c)為清洗后斷口；斷口觀察后采用臺(tái)式砂輪機(jī)將圖1(c)中所示1#斷齒斷口凸起處打磨至齒根部，打磨后1#斷齒如圖1(d)所示，對(duì)1#斷齒左側(cè)齒邊向齒內(nèi)1、2、3、4和5 mm處進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，此處硬度為“齒根處橫向硬度”。

(a)取樣部位；(b)縱向檢測(cè)部位；(c)1#失效斷口；(d)橫向檢測(cè)部位圖1 40Cr斷齒零件(a)sampling position；(b)longitudinal inspection position；(c)failure fracture of 1#；(d)transverse inspection positionFig.1 40Cr fracture gear

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織

對(duì)40Cr斷齒零件進(jìn)行取樣和檢測(cè)，其金相組織如圖2所示。40Cr斷齒零件距表面約5 mm以內(nèi)部位的組織為馬氏體，距表面5 mm以外部位的組織為索氏體+少量鐵素體。因此，同一零件距表面不同深度的組織是有差異的，其原因與該零件的淬透性和截面尺寸有關(guān)。

2.2 硬度

采用維氏硬度計(jì)對(duì)齒根處縱向硬度進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。40Cr斷齒零件(齒根處)縱向淬硬層深約為5 mm，橫向淬硬層深大于5 mm，淬硬層硬度及深度正常。

2.3 宏觀斷口

選取40Cr斷齒零件中4個(gè)斷齒，采用DMSZ7視頻一體機(jī)進(jìn)行宏觀斷口觀察，斷齒編號(hào)和取樣位置見圖1。圖3為各斷齒宏觀斷口形貌，可知1#和2#斷齒具有相似的斷口形貌，3#和4#斷齒具有相似的斷口形貌，故本試驗(yàn)主要針對(duì)2#和4#斷齒斷口形貌進(jìn)行觀察與分析。

表2 40Cr斷齒零件的硬度

觀察圖3(b)和圖3(d)可知，2#斷齒有3處裂紋源，見圖3(b)虛線區(qū)域；4#斷齒有2處裂紋源，見圖3(d)虛線區(qū)域。圖4、圖5分別為2#、4#斷齒裂紋源宏觀斷口形貌。

(a,b)5 mm;(c,d)10 mm;(e,f)15 mm;(g,h)20 mm;(i,j)25 mm圖2 40Cr斷齒零件不同深度處金相組織Fig.2 Microstructure of 40Cr fracture gear at various depth

(a)1#斷齒;(b)2#斷齒;(c)3#斷齒;(d)4#斷齒圖3 40Cr斷齒宏觀斷口形貌(a)1# fracture gear；(b)2# fracture gear；(c)3# fracture gear；(d)4# fracture gearFig.3 Macro fracture morphology of of 40Cr fracture gear

圖4 2#斷齒裂紋源Fig.4 Crack source of 2# fracture gear

圖5 4#斷齒裂紋源Fig.5 Crack source of 4# fracture gear

2.4 微觀斷口

對(duì)1#斷齒進(jìn)行線切割采樣，位置如圖6所示。超聲波清洗后對(duì)微觀斷口進(jìn)行SEM觀察，以進(jìn)一步確定其斷裂類型。圖7(a)為圖6中虛線區(qū)域A處的放大圖片，圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)分別是圖7(a)中虛線區(qū)域A-1、A-2和A-3處的放大圖片。圖8(a)為圖6中虛線區(qū)域B處的放大圖片，圖8(b)和圖8(c)分別是圖8(a)中虛線區(qū)域B-1和B-2處的放大圖片。

圖6 1#斷齒的宏觀斷口Fig.6 Macro fracture of 1# fracture gear

(a)圖6中A處；(b)圖7(a)中A-1區(qū)域；(c)圖7(a)中A-2區(qū)域；(d)圖7(a)中A-3區(qū)域圖7 1# 齒輪A處斷口SEM(a)area A in Fig.6；(b)area A-1 in Fig.7(a)；(c)area A-2 in Fig.7(a)；(d)area A-3 in Fig.7(a)Fig.7 SEM of 1# fracture gear A area

(a)圖6中B處；(b)圖8(a)中B-1區(qū)域；(c)圖8(a)中B-2區(qū)域圖8 1# 齒輪B處斷口SEM(a)area B in Fig.6；(b)area B-1 in Fig.8(a)；(c)area B-2 in Fig.8(a)Fig.8 SEM of 1# fracture gear B area

3 討論與分析

由40Cr斷齒的金相和硬度檢測(cè)結(jié)果來看，金相和硬度結(jié)果正常，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

通過宏觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)，1#和2#斷齒具有相似斷口形貌，近齒根處都有三處裂紋源，其中有一個(gè)裂紋源位于斷齒左邊緣上方，其余兩個(gè)裂紋源分別位于斷齒右邊緣上方和下方，三個(gè)裂紋源在零件斷裂過程中分別向齒心處擴(kuò)展，最后在齒心處匯集。3#和4#斷齒具有相似斷口形貌，近齒根處都有兩處裂紋源，其中一個(gè)裂紋源位于斷齒左邊緣上方，另一個(gè)裂紋源位于斷齒右邊緣中間，兩個(gè)裂紋源在零件斷裂過程中都向齒心處擴(kuò)展，最后在齒心處匯集?？梢钥闯觯膫€(gè)斷齒的受力情況具有明顯差異，1#、2#斷齒與3#、4#斷齒相比，其裂紋源的位置和數(shù)量均不相同，說明該齒輪在服役過程中受到順時(shí)針和逆時(shí)針方向的反復(fù)交替載荷作用，且齒輪的嚙合性不高，導(dǎo)致齒輪近齒根處齒面受力不均勻。

對(duì)圖7(a)虛線區(qū)域放大觀察，發(fā)現(xiàn)圖7(b)所示A-1區(qū)域已經(jīng)被磨平，無法進(jìn)行失效觀察；圖7(c)和圖7(d)所示A-2和A-3區(qū)域都可以看見典型韌性斷裂的微觀斷口形貌-韌窩特征。對(duì)圖8(a)虛線區(qū)域放大觀察，在圖8(b)所示B-1區(qū)域靠近齒根表面硬化層附近，可以看見韌窩、少量沿晶斷裂和解理斷裂的形貌特征；圖8(c)所示B-2區(qū)域可以看見大量的韌窩。

通過微觀斷口觀察，在1#斷齒斷口未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂的疲勞輝紋特征，但在其兩處裂紋源附近均發(fā)現(xiàn)了韌窩?？梢源_定該斷齒的斷裂方式主要是以韌性斷裂為主。

4 結(jié)論

1)40Cr斷齒零件距表面約5 mm以內(nèi)部位的組織為馬氏體組織，距表面5 mm以外部位的組織為索氏體+少量鐵素體，其縱向淬硬層深約為5 mm，橫向淬硬層深大于5 mm，淬硬層深度和硬度正常。

2)40Cr齒輪在服役時(shí)受到順時(shí)針和逆時(shí)針方向的反復(fù)交替過載載荷作用，且齒輪的嚙合性不高，導(dǎo)致齒輪齒身處受力不均勻，從而產(chǎn)生過載斷裂。