呂 程 全坤鍇 劉宇翔

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，武漢 430074）

駐車齒輪是汽車減速機的重要組成零件，起到停止機構(gòu)轉(zhuǎn)動的作用。作為重要的傳動部件，齒輪的尺寸不僅影響傳動機構(gòu)的傳遞精度，而且影響齒輪的受力[1-2]。

本研究的失效試樣來自某企業(yè)使用的16MnCr5駐車齒輪。正常批次產(chǎn)品拉齒后熱處理，內(nèi)花鍵尺寸縮小0.04～0.05 mm，而異常批次產(chǎn)品拉齒后熱處理，內(nèi)花鍵尺寸變大0.02 mm。通過分析失效齒輪確定齒輪失效的原因，為避免后續(xù)出現(xiàn)類似問題提供理論支撐。駐車齒輪大樣圖，如圖1 所示。

圖1 駐車齒輪大樣（單位：mm）

1 分析方法

失效齒輪加工工藝流程為沖壓→去毛刺→拉齒→熱處理→拋丸[3]。熱處理工藝為碳氮共滲+淬火回火，其中淬火溫度為850 ℃。選取正常批次齒輪和異常批次齒輪，采用火花放電原子發(fā)射光譜儀進行化學(xué)成分分析。選取4 種狀態(tài)的齒輪，分別為正常熱處理前、正常熱處理后、異常熱處理前和異常熱處理后。利用線切割，分別將每種狀態(tài)的齒輪沿縱向和橫向進行切割，切取兩個面進行金相分析，分別標(biāo)記為正面和側(cè)面，如圖2 所示。試樣在酒精中進行超聲波清洗，磨拋至鏡面，再采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織，最后采用維氏硬度計分析試樣的硬度。

圖2 取樣示意

2 實驗結(jié)果分析

2.1 化學(xué)成分

正常批次和異常批次齒輪的化學(xué)成分，如表1 所示。從表1 中可以看出：正常齒輪與異常齒輪的主要合金元素成分相近；異常齒輪的Ni 和Cu 含量略高于正常齒輪。研究表明，Ni 和Cu 在鋼中不能形成化合物，兩者均能降低相變溫度，擴大奧氏體相區(qū)。

表1 正常和異常齒輪的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2.2 金相分析

正常齒輪和異常齒輪熱處理前的微觀組織，如圖3所示。從圖3 可以看出：正常齒輪和異常齒輪的正面微觀組織都較為均勻，但是側(cè)面都有比較明顯的條帶狀分布。正常齒輪熱處理前晶粒細(xì)小且均勻，異常齒輪熱處理前晶粒粗大，且尺寸分布不均勻。原始晶粒度越細(xì)，晶界越多，滲碳時原子通道越多，在相同條件下，滲碳濃度越高。本研究中的齒輪需進行滲碳處理，因此熱處理前的組織不同會導(dǎo)致滲碳工藝差異。

圖3 正常和異常齒輪熱處理前的顯微組織

正常齒輪和異常齒輪熱處理后的微觀組織，如圖4所示。從圖4 可以看出：正常齒輪熱處理后馬氏體板條細(xì)小均勻，而異常齒輪熱處理后馬氏體板條較粗；正常齒輪熱處理后組織轉(zhuǎn)變充分，而異常齒輪熱處理后組織中存在較多的殘余奧氏體。異常齒輪熱處理前晶粒粗大，奧氏體化不充分，因此熱處理后殘余奧氏體較多。同時，由成分分析可知，異常齒輪材料中的Ni 和Cu 含量較高，擴大了奧氏體相區(qū)，導(dǎo)致熱處理后存在較多的殘余奧氏體。奧氏體晶體結(jié)構(gòu)為體心立方，正常齒輪熱處理過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降鸟R氏體，體積脹大，導(dǎo)致內(nèi)花鍵尺寸縮小。異常齒輪熱處理后存在較多的殘余奧氏體，體積小，內(nèi)花鍵尺寸反而有所增大。

圖4 正常和異常齒輪熱處理后的顯微組織

2.3 維氏硬度分析

表2 為正常和異常齒輪熱處理前后的維氏硬度。從表2 可以看出，在經(jīng)過淬火和回火處理后，正常和異常齒輪的維氏硬度均大幅提升，分別從144.0 HV和142.2 HV 升為859.4 HV 和847.8 HV。這是由于熱處理后的組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是熱處理前后正常齒輪的維氏硬度平均值均略高于異常齒輪。由金相分析結(jié)果可知：熱處理前后，正常齒輪的組織均勻，且尺寸較??；而異常齒輪的組織粗大，且存在較多殘余奧氏體。由于細(xì)晶強化，殘余奧氏體會降低鋼的硬度，導(dǎo)致異常齒輪的維氏硬度低于正常齒輪。

表2 正常和異常齒輪的維氏硬度 單位：HV

細(xì)小且均勻的馬氏體組織有利于碳原子的深入，因此正常齒輪滲碳后，表面的滲碳濃度高，滲碳層深，導(dǎo)致表面體積脹大，使得內(nèi)花鍵的尺寸有所縮小。而異常齒輪的滲碳量小，體積小，導(dǎo)致內(nèi)花鍵尺寸異常。

2.4 改進方案

研究表明，采用等溫退火熱處理后可以使原始奧氏體晶粒組織得到極為明顯的細(xì)化。齒輪的等溫退火工藝，如圖5 所示。異常齒輪熱處理前的組織粗大，影響了滲碳效果，導(dǎo)致熱處理不充分，殘余奧氏體較多[4-5]，因此滲碳前可采用等溫退火熱處理工藝，充分細(xì)化原始粗大組織，為后續(xù)的熱處理提供穩(wěn)定的組織保障。

圖5 齒輪產(chǎn)品等溫退火工藝

3 結(jié)語

通過分析可知，異常齒輪材料中Ni 和Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，擴大了奧氏體相區(qū)。而且異常齒輪熱處理前組織粗大，晶界面積小，滲碳時原子通道少，滲碳量減小，導(dǎo)致熱處理不充分。異常齒輪熱處理后殘余奧氏體含量較高，導(dǎo)致體積收縮，內(nèi)花鍵尺寸異常脹大。為此，滲碳前可進行等溫退火熱處理，避免出現(xiàn)內(nèi)花鍵尺寸異?，F(xiàn)場。