汽車后橋螺旋傘齒輪表面缺陷分析

潘小靜 ， 徐旋旋 ， 趙 宜 ， 戴林榮

（中天鋼鐵集團有限公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

齒輪在工業發展中處于相對突出的地位，其設計與制造對大多數機械裝備的性能和精度都有著重大影響。在各種機械傳動中，又以螺旋傘齒的傳動效率為最高，且傳動比永久穩定，傳遞同等扭矩時需要的空間尺寸相對比皮帶、鏈條傳動都要小很多，對各類傳動尤其是大功率傳動具有很大的經濟效益，因此被廣泛應用于各種傳動機構。

齒輪在運行時承受較大的沖擊載荷、接觸應力以及交變應力，要求有很高的加工精度和良好的安裝，否則易造成動載損傷失效[1]。齒輪常見的失效形式有輪齒斷裂[2-4]、齒面裂紋[5-7]、齒面磨損[8]、齒面點蝕剝落[9]以及齒面塑性變形[10]等。

汽車后橋螺旋傘齒輪在經過滲碳和淬回火熱處理后的磨齒過程中，發現其齒面及齒根表面存在多處細小孔洞類缺陷。該螺旋傘齒輪材料為20CrMnTiH 鋼，外徑為?250 mm、內徑為?180 mm、高度為55 mm。加工工藝流程為：下料→感應加熱→鐓扁→沖孔→輾環→退火→車削加工→銑(滾)齒→滲碳淬回火熱處理→磨內孔→磨齒。為分析齒輪失效的原因，本研究通過光譜分析其化學成分，光學顯微鏡觀察缺陷微觀結構，掃描電鏡觀察缺陷形貌等，對齒輪缺陷形成的原因進行綜合分析與討論，并給出分析的結論和改善建議，對齒輪機械加工具有重要的指導意義。

1 理化檢驗

1.1 齒輪缺陷宏觀形貌

在整個齒輪的多數輪齒部位幾乎均發現有細小孔洞類缺陷，大部分的細小孔洞位于齒根部和節圓以下的齒面，孔洞形狀不規則，且大小不一，宏觀可見細小孔洞的有十幾處，有些孔洞較深并已連成一體，見圖1、圖2。

圖 1 螺旋傘齒輪宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the gear

1.2 化學成分分析

圖 2 齒面及齒根細小孔洞缺陷宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of small holes at the tooth surface of the gear

在缺陷齒輪上取樣，使用QSN750 型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1，可見缺陷齒輪的化學成分符合GB/T 5216—2014《保證淬透性結構鋼》中20CrMnTiH 鋼的成分要求。

1.3 齒輪截面宏觀檢驗

在缺陷齒輪上按每相隔90°左右處取4 塊徑向截面試樣（即環形齒圈的過軸心徑向截面位置，如圖1 所示），剖開后經1：1 鹽酸熱蝕，發現4 塊試樣在齒輪徑向截面心部區域均存在大量的孔洞類缺陷，而且心部孔洞相比其周圍的孔洞要大。圖3 所示為其中1 塊試樣的截面心部孔洞類缺陷形貌，可見心部孔洞較大，其四周存在較多細小孔洞。

表 1 缺陷齒輪的化學成分(質量分數 /%)Table 1 Chemical composition of the gear (mass fraction /%)

圖 3 齒輪徑向截面心部區域大量的細小孔洞宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of small holes at the center of the radial section

1.4 齒輪截面金相檢驗

取圖3 中徑向截面試片進行金相檢驗，該齒輪全部齒廓表面均存在滲碳淬硬層，并且在徑向截面心部存在較大孔洞及其四周的細小孔洞，而心部較大孔洞邊緣發現存在滲碳淬硬層組織，即針狀馬氏體+殘余奧氏體（圖4）。心部較大孔洞四周的細小孔洞周圍有沿晶界處析出的富集相顆粒并伴隨有白色鐵素體網的現象（圖5）。在遠離心部孔洞區域的組織為齒輪正常心部組織。

該齒輪表面滲碳淬硬層深度約為1.8 mm，表層組織為針狀馬氏體+殘余奧氏體，次表層組織為回火馬氏體；齒輪心部組織為回火馬氏體+少量貝氏體+少量針條狀鐵素體，符合技術要求。

1.5 齒輪截面孔洞缺陷電鏡形貌

對齒輪徑向截面心部孔洞內表面形貌進行掃描電鏡觀察，孔洞內存在眾多晶界熔融后形成的細小疏松空洞及裂紋（圖6）。在細小疏松空洞表面可觀察到自由結晶面及沿晶界析出的富集相顆粒，經X 射線能譜儀分析，這些富集相顆粒主要含有Cr、Mn、Fe、C 等，為富Cr、Mn 碳化物（圖7）。

圖 4 圖3 中徑向截面心部較大孔洞處組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of larger holes in Fig.3

圖 5 圖3 中徑向截面較小孔洞處組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of smaller holes in Fig.3

圖 6 齒輪徑向截面心部孔洞表面形貌Fig.6 Morphology of small holes at the center of the radial section

2 分析與討論

通過以上理化檢驗結果可知：該齒輪軸的化學成分、滲碳層深度和組織均符合技術要求。

該齒輪齒面上發現的孔洞類缺陷，大部分位于齒根部和節圓以下的齒面，孔洞形狀不規則，且大小不一，宏觀可見細小孔洞的有十幾處，幾乎整個齒輪均可發現。在多處齒輪徑向截面（每個截面大約相隔90°左右）發現其心部區域存在有孔洞，這些孔洞有的距齒面有一定距離，有的與齒面孔洞貫通，但均在徑向截面的心部區域。這說明在該齒輪內部存在環形的缺陷區域，缺陷區域位于徑向截面心部，缺陷形式為疏松狀孔洞類缺陷。當銑齒時，齒面節圓以下至齒根部位正好位于截面心部附近，致使心部孔洞缺陷暴露出來，而齒根表面很接近心部，則孔洞缺陷暴露的幾率較大，所以在齒根及附近齒面發現孔洞也較多。

圖 7 細小疏松空洞表面沿晶富集相形貌(箭頭指處)Fig.7 Morphology of enriched phase along the crystal

在齒輪心部孔洞邊緣發現存在與齒面相同的滲碳淬回火表層組織（針狀馬氏體+殘余奧氏體），這說明齒面孔洞與齒輪徑向截面心部區域的內部孔洞在滲碳時是相通的，同時也說明齒輪心部孔洞在滲碳之前已存在。

金相檢驗結果表明，齒輪心部孔洞附近存在大量的疏松狀細小孔洞及裂紋，可看到沿晶界處析出的富Cr、Mn 碳化物并伴隨有白色鐵素體網。從心部孔洞處的SEM 形貌，可看到內部有晶界熔融后形成的細小疏松空洞及裂紋，孔洞表面呈類似自由結晶狀形貌，沿晶界有富Cr、Mn 碳化物及裂紋，這些特征符合過燒組織的晶界—碳化物—裂紋分布特征[11-12]，即過燒時碳化物沿晶界析出，晶界處出現了裂紋。因此，可以認為齒輪心部環形狀孔洞類缺陷是由于過燒造成的。

根據該齒輪制造工藝流程分析，圓鋼下料后經鐓扁、沖孔及整型，如果在上述過程中產生心部過燒孔洞，則孔洞位于扁圓形工件的心部，將在心部沖孔時沖掉，而不會在齒圈徑向心部留下孔洞類缺陷。前述已分析孔洞缺陷在滲碳之前已存在，而輾環以后的機械加工也不會產生此類缺陷，故認為齒圈環形孔洞缺陷是在輾環過程中產生的。

合金鋼在熱擠壓時，其加熱溫度接近鋼的液相點，若形變速度過大，則會由于機械能轉化為熱能，致使其形變量較大的局部區域甚至滑移面溫度上升至液相點以上而導致“形變過燒”。它與熱處理加熱過燒的相同點是都有液相出現，但兩者的表現形式則不同。一般情況下，鋼材熱處理過程中發生的過燒現象均從表面開始，過燒產生的裂紋和孔洞由表面向內部擴展；而“形變過燒”則從內部發生；前者在外觀上為網裂、沿晶氧化，而后者零件表面完好，內部呈疏松孔洞狀，在裂面上應能找到液相出現的痕跡，如海灘狀花樣、樹枝晶、共晶組織等，裂面與滑移面一致，有時也會看到裂紋是穿晶發展的[13-15]。

該齒輪齒圈鍛造加熱采用感應加熱，要求始鍛溫度為1 050～1 100 ℃，但未有儀表控溫而采用人工控溫，這樣有可能存在鍛料加熱溫度偏高的現象，致使鍛件到輾環時仍有較高溫度，而輾環變形速度也是人工控制，因此在輾環過程中存在因變形速度過大使軋件心部溫度升高而引起過燒，導致晶界熔融，削弱晶間結合力，心部將出現細小裂紋，細小裂紋在后續的輾環中受拉應力作用擴展為細小孔洞，最終形成齒圈徑向心部的環形孔洞類缺陷。

3 結論及建議

1）該齒輪齒面細小孔洞缺陷是由于齒圈徑向截面心部整個環形區域存在著細小孔洞缺陷，因銑齒后外露所造成的。而該齒輪徑向截面心部整個環形區域細小孔洞缺陷則是齒圈在輾環過程中因形變過燒而引起的。

2）加強對鍛料加熱溫度的控制，增加控溫設備；對輾環工藝進行優化，控制變形熱，使溫升盡可能低；在齒圈車削加工后進行超聲波探傷。