李 鵬， 鄧慶斌， 王曉娟， 王麗萍， 董 偉

1.華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)部，沈陽110141；

2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450015

前言

齒輪是重要的傳遞運(yùn)動(dòng)和功率的零件，它的制造精度、使用壽命直接影響著變速箱的使用壽命［1］。國外某公司生產(chǎn)的齒輪在使用460個(gè)循環(huán)（約28萬公里）后發(fā)生斷裂，其材料為18CrNiMo7／6，而將該齒輪國產(chǎn)化后其發(fā)生斷裂的時(shí)間為226個(gè)循環(huán)。

本文針對(duì)某國內(nèi)生產(chǎn)的齒輪發(fā)生斷裂為案例，首先對(duì)國產(chǎn)化齒輪（發(fā)生失效和未發(fā)生斷裂的齒輪）與國外某公司生產(chǎn)的齒輪進(jìn)行金相組織分析，；之后又對(duì)失效齒輪的斷口位置進(jìn)行形貌觀察；最后將三種不同試樣進(jìn)行硬度分析并比較，得出國產(chǎn)化齒輪過早出現(xiàn)失效的原因?yàn)辇X根位置加工較為粗糙，齒面與齒根部位沒能夠良好過渡，使得齒根位置存在較大的應(yīng)力集中；齒根位置大量黑色網(wǎng)狀組織使得齒根位置的硬度明顯降低，亦影響著齒輪的疲勞壽命。

1 金相組織觀察與分析

對(duì)國產(chǎn)化的斷裂齒輪、未使用的國產(chǎn)化齒輪以及國外企業(yè)生產(chǎn)的齒輪進(jìn)行切取，位置如圖1所示。圖1包括發(fā)生斷裂、未使用齒輪和國外某公司生產(chǎn)的齒輪的取樣位置。上述試樣均經(jīng)過拋光處理后用于顯微組織觀察與硬度測試。

圖1 1、2、3號(hào)試件取樣位置Fig.1 the location of the three test specimen

1.1 失效齒輪金相組織觀察

使用4%硝酸酒精溶液的腐蝕劑，對(duì)1號(hào)試件（發(fā)生斷齒的輸入軸齒輪）在齒輪法向截面由齒輪頂部至心部的顯微組織進(jìn)行觀察，如圖2所示。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行滲碳淬火，并對(duì)不同位置放大400倍后進(jìn)行顯微組織觀察，圖3所示。

圖2 輸入齒輪滲碳淬火顯微組織（1號(hào)試樣）Fig.2 The input gear microstructure

圖3 齒輪頂端、中部與心部顯微組織（400×）Fig.3 The microstructure of the gear ofcarburizing and quenching

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：齒輪頂端表面附近區(qū)域的組織為隱晶馬氏體＋少量殘留奧氏體＋少量細(xì)小顆粒狀碳化物；中部附近顯微組織為細(xì)針或針狀馬氏體＋殘留奧氏體組成；心部組織為低碳馬氏體組織＋游離鐵素體組織。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)（JB／T 6141.3－1992）及其顯微組織特征經(jīng)對(duì)比分析可知：馬氏體、殘余奧氏體級(jí)別為2級(jí)，心部組織為級(jí)別為2～3級(jí)。

將1號(hào)試件經(jīng)滲碳淬火后并觀察齒根至心部的顯微組織，圖4所示。同時(shí)，將不同區(qū)域進(jìn)行放大400倍后進(jìn)行顯微組織觀察，如圖5所示。

圖4 齒根附近顯微組織（400×）Fig.4 The root microstructure of the gear

圖5 齒輪齒根、中部與心部顯微組織Fig.5 The microstructure of the gear

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：圖5所示的1號(hào)試樣的齒根表面附近區(qū)域組織為細(xì)針或針狀馬氏體＋殘余奧氏體組織；心部附近組織為低碳馬氏體＋較多量的游離鐵素體。同時(shí)發(fā)現(xiàn)是在齒根附近區(qū)域存在大量非馬氏體的黑色網(wǎng)狀組織。

1.2 完整齒輪金相組織觀察

同樣，將2號(hào)試樣（未發(fā)生斷齒的輸入軸齒輪）在與1號(hào)試樣同樣的位置進(jìn)行顯微組織觀察。如圖6為2號(hào)試樣齒輪法向截面由齒輪頂部至心部的顯微組織，圖7為由齒輪頂部至心部區(qū)域局部放大400倍后的顯微組織照片。

圖6 齒輪滲碳淬火后顯微組織圖（2號(hào)試樣）Fig.6 The microstructure ofcarburizing and quenching

圖7 齒輪頂端、中部與心部的顯微組織（400×）Fig.7 the microstructure of the gear

將2號(hào)試件顯微組織與1號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行對(duì)比觀察可發(fā)現(xiàn)：2號(hào)試樣組織形貌與1號(hào)試樣相對(duì)應(yīng)位置基本一致，在圖8和圖9所示2號(hào)試樣齒根附近區(qū)域顯微組織亦可觀察到較為嚴(yán)重的非馬氏體黑色組織的存在。

圖8 滲碳淬火后齒根附近區(qū)域顯微組織（400×）Fig.8 The microstructure ofcarburizing

圖9 齒輪齒根、中部、心部顯微組織（400×）Fig.9 he microstructure of the gear and quenching

1.3 進(jìn)口齒輪金相組織觀察

圖10所示為3號(hào)試樣（國外生產(chǎn)）由齒輪頂部至心部的顯微組織照片。圖11為不同位置的放大形貌。觀察發(fā)現(xiàn)：3號(hào)試樣滲碳層的組織為隱晶馬氏體＋少量殘余奧氏體，心部組織為低碳馬氏體。其馬氏體、殘余奧氏體及心部組織級(jí)別為1～2級(jí)，圖12所示為輸出齒齒根部（3號(hào)試樣）由齒輪根部至心部顯微組織照片。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：在齒根表面附近區(qū)域，其組織為隱晶馬氏體＋極少量的殘余奧氏體；距離齒根表面約0.6mm處的組織為細(xì)針馬氏體＋殘余奧氏體，組織細(xì)小均勻，并未出現(xiàn)大塊游離鐵素體、粗大馬氏體或黑色組織等組織缺陷。

圖10 輸出齒滲碳淬火顯微組織（3號(hào)）Fig.10 The microstructure ofcarburizing

圖11 齒輪齒根、中部與心部的顯微組織（400×）Fig.11 the microstructure of the gear and quenching

圖12 齒輪齒根、中部與心部區(qū)域顯微組織（400×）Fig.12 the microstructure of the gear

1.4 黑色網(wǎng)狀組織分析

這些斷續(xù)的網(wǎng)狀黑色組織屬一種典型的缺陷組織［2］，在未經(jīng)侵蝕的試樣表面觀察不到，需經(jīng)侵蝕后在光學(xué)顯微鏡高倍下才能觀察到，為屈氏體等非馬氏體組織。它的出現(xiàn)會(huì)引起顯微硬度值、耐磨性、零件疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度等降低。

2 斷口觀察與分析

將輸入軸齒輪斷齒處宏觀形貌的兩個(gè)斷齒位置分別定義為4號(hào)和5號(hào)試樣，如圖13所示，其不同位置的局部放大圖如圖14所示。經(jīng)過掃描電子顯微鏡觀察，4號(hào)試樣的斷口處呈現(xiàn)較為明顯的疲勞斷裂特征，其中區(qū)域?yàn)樽钕乳_裂的區(qū)域，在交變載荷的作用下，經(jīng)過反復(fù)擠壓摩擦該區(qū)域的斷口較為平整光滑；B區(qū)域?yàn)榱鸭y快速擴(kuò)展區(qū)；C區(qū)域位置的斷口呈現(xiàn)典型的解理斷裂特征，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至C區(qū)時(shí)，發(fā)生瞬時(shí)斷裂（如圖15所示）。

圖13 輸入軸齒輪斷齒處斷口宏觀形貌照片F(xiàn)ig.13 macrostructure of the cross section

圖14 輸入軸齒輪斷齒處斷口宏觀形貌（4號(hào)）Fig.14 macrostructure of the cross section

圖15 A、B、C區(qū)域局部放大圖（5號(hào)）Fig.15 the magnified figure of the region

圖16所示為輸入軸齒輪斷齒處斷口形貌照片（5號(hào)試樣）及其放大形貌，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在該試樣的斷口中并未觀察到發(fā)生疲勞斷裂的特征，整個(gè)斷口均為解理斷裂。圖17為輸入軸齒輪發(fā)生斷齒的齒面形貌照片和輸入軸齒輪表面剝落位置照片。

圖17 輸入軸齒輪斷齒表面形貌與剝落位置Fig.17 the surface of the failure gear and the peeling off region

經(jīng)觀察：在齒輪表面可觀察到非常嚴(yán)重的硬化層剝落現(xiàn)象。硬化層的剝落主要是由于硬化層以下的過渡層金屬在長期較高的接觸應(yīng)力作用下，產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而使齒面的硬化層承壓能力降低，形成垂直于表面的表面裂紋（如圖17所示），直至擴(kuò)展到過渡區(qū)，形成硬化層剝落。且在齒面上還可以觀察到與滑動(dòng)方向一致的相互平行的溝槽，且齒面顏色變黃，齒面出現(xiàn)輕微灼傷。出現(xiàn)這種齒面損傷主要是由于齒輪在承受較大載荷時(shí)，齒面間摩擦產(chǎn)生較大熱量，這可能造成潤滑油膜減薄，導(dǎo)致齒面金屬的軟化和塑性變形加劇，這又會(huì)導(dǎo)致齒面進(jìn)一步的發(fā)熱，這種惡性循環(huán)可使齒面在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，使油膜完全破壞。在此情況下，工作齒面的金屬在接觸瞬間可能粘結(jié)在一起，當(dāng)齒面繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，又被撕開。輕微的齒面粘著磨損可使齒面上出現(xiàn)與滑動(dòng)方向一致的較淺的擦傷并伴有齒面顏色發(fā)生變化。

圖18所示為國產(chǎn)輸入軸齒輪齒根處形貌的照片及其放大圖形貌，圖19為國外生產(chǎn)的輸出齒齒根處形貌的照片。

圖18 國產(chǎn)輸入軸齒輪齒根處形貌圖Fig.18 the surface of root of domestic product

由圖可見，國產(chǎn)輸入軸齒輪齒根位置存在嚴(yán)重的尖角和加工痕跡。發(fā)生斷裂的齒輪正是從該位置開始發(fā)生開裂。而輸出齒齒根處過渡圓滑未出現(xiàn)嚴(yán)重的加工痕跡。

圖19 國外生產(chǎn)的輸出齒齒根處形貌Fig.19 the surface of root of foreign product

3 硬度測試

對(duì)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣沿著淬硬面的垂直方向切斷，將斷面進(jìn)行研磨拋光后進(jìn)行硬度分布檢測。維氏硬度測試方法依據(jù)硬度測試依據(jù)GB／T 4340.1－2009和 GB／T8539－2000標(biāo)準(zhǔn)。有效硬化層深度如表1所示。心部硬度如表2所示。

表1 有效硬化層深度Table 1

表2 心部硬度Table 2

將不同位置硬度繪制成曲線并進(jìn)行對(duì)比，如圖20－圖22所示。

圖20 由齒根－心部硬度分布曲線的比較Fig.20 the curve comparison of root to core

圖21 由齒頂－心部硬度分布曲線的比較Fig.21 the curve comparison of addendum to core

圖22 節(jié)圓處齒面－心部硬度分布曲線Fig.22 the hardness pitch of the gear from surface to core

4 結(jié)論

齒輪的折斷是一種嚴(yán)重的齒輪失效形式，齒輪折斷在多數(shù)情況下屬于疲勞斷裂，也有少數(shù)情況屬于超載脆性折斷。當(dāng)齒輪嚙合開始或終了時(shí)，在被動(dòng)齒輪及主動(dòng)齒輪齒根位置產(chǎn)生最大的彎曲應(yīng)力，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過材料的疲勞極限時(shí)，齒輪將發(fā)生疲勞斷裂。本次檢測的18CrNiMo7／6輸入軸齒輪發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因?yàn)椋?/p>

1）齒根位置加工較為粗糙，齒面與齒根部位沒能夠良好過渡，在齒根位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中；

2）在齒根附近區(qū)域存在大量非馬氏體黑色組織，齒根位置硬度明顯偏低，這些非正常組織的存在將對(duì)齒輪的疲勞壽命產(chǎn)生不利的影響。

3）通常，純電動(dòng)汽車都具備制動(dòng)能量回收的功能，因此反拖工況使用的更加頻繁，對(duì)齒根部位的彎曲應(yīng)力要求更高。

［1］李召華等.齒輪失效形式分析.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新［J］，2011，24（2）：97－98.

［2］李忠紅等.柴油機(jī)齒輪失效分析.質(zhì)量控制與失效分析［J］.2007，43（3）：153－155.