重卡汽车齿轮开裂失效分析

来源:淄博市新材料研究所作者:曹颖

某重卡汽车齿轮在使用过程中发生开裂。采用宏观、微观检验、化学成分分析及硬度检验等方法,对失效齿轮进行了失效分析。结果表明齿轮热处理不当造成组织不合格,存在大量铁素体,有效硬化层偏低,致使齿轮强度不高,无法承载设计载荷,最终使齿轮破裂。

某公司生产的重卡汽车齿轮,装配使用仅一天即发生故障。检查发现汽车被动齿轮边缘牙发生崩齿,齿轮多处存在微裂纹,如图1 所示。该齿轮材质为20CrMnTi 钢,经过下料→锻打→正火→制齿→渗碳淬火热处理工艺制成成品。

被动齿轮宏观形貌

图1 被动齿轮宏观形貌

1、理化检验

1.1、宏观检验

对失效齿轮进行宏观观察,发现除部分齿牙脱落外,在与主动轮咬合部位有较多的微裂纹。取一个整齿牙观察其横截面,发现裂纹垂直齿面向内部延伸约1.30 mm,再向两侧横向延伸,裂纹基本平行于齿面,裂纹末端出现侧枝向心部延伸,如图2 所示。

齿牙横截面裂纹形貌

图2 齿牙横截面裂纹形貌

1.2、化学成分分析

在失效齿轮心部( 非渗碳层) 取样进行化学成分分析,结果符合20CrMnTi 钢标准值,见表1。

表1 化学成分分析结果( 质量分数,%)

化学成分分析结果

1.3、硬度分析

按技术要求,其表面硬度为58 ~ 63 HRC,心部硬度为30 ~ 42 HRC。在失效近区进行硬度检验,结果表明表面硬度符合技术要求,但热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)认为心部硬度偏低。见表2。

表2 被动齿轮硬度检验结果

被动齿轮硬度检验结果

1.4、有效硬化层深度检验

在横截齿面上,用显微维氏硬度计HV-1000 进行有效硬化层测试,按照GB /T 9450-2005《钢件渗碳淬火有效硬化层的测定和校核》,测得其有效硬化层深度为1.40 mm。测试结果不符合其技术要求( 1.60 ~ 2.00 mm) 的规定。

1.5、金相检验

从裂纹处取金相试验,用MeF-2 型光学显微镜进行显微组织观察,在未经浸蚀的情况下进行夹杂物检验,按照GB /T 10561-2005 标准评定,非金属夹杂物: A0.5、B0.5、D0.5 符合技术要求。裂纹部分的组织为: 粗针状马氏体体+ 块状铁素体( 图3) 。

齿轮心部组织

图3 齿轮心部组织

裂纹自表面断续向里延伸,尾部稍尖而弯曲,裂纹内浅灰色为制样所致,裂纹两侧无脱碳现象( 图4) ,说明裂纹是在淬火冷却后期产生的。裂纹自表面穿透该区域约为1.3 mm,再平行表面横向延伸;裂纹两侧的组织不同,裂纹上侧以针状马氏体为主,裂纹下侧以较粗的马氏体和块状铁素体为主。心部组织可见到大量铁素体,铁素体占总量30%,如图3 所示。

裂纹处显微组织

图4 裂纹处显微组织

2、分析

检验结果表明,齿轮的化学成分分析以及夹杂物的级别均符合有关技术标准要求。可排除因为原材料不合格而引起裂纹的因素。

金相检验表明此齿轮心部组织存在大量的铁素体,其强度较低,可塑性较强。硬度检测结果也表明齿轮基体硬度较低,大大低于技术要求,有效硬化层仅为1.45 mm,低于技术要求下限1.60 mm。此齿轮装配车型为重型汽车,设计载重较高,要求齿轮具有较高的承载力。浅薄的有效硬化层齿面受压于较重的设计载荷,就将外应力传递至齿轮心部,由于心部组织存在大量的块状铁素体( 正常组织为马氏体和少量铁素体) ,其强度较低,塑性较好,基体中存在适量的均匀分布的细小铁素体组织时,可以提高工件塑性,并能阻碍裂纹扩展。

但此工件铁素体组织晶粒较大,且不均匀,是淬火温度偏低或保温时间不足,使组织未能完全奥氏体化所致。大量残留的铁素体又导致钢的力学性能下降,当齿轮心部发生塑性变形来释放应力时,表面的硬化层强度虽高,但较浅薄,且无塑性,不足以支撑高载荷,致使齿面承受过重的抗折应力而产生垂直破裂。由于基体的塑性变形和硬化层的静止,即在硬化层与基体的交界线上产生位移而开裂,宏观上观察到如图2 所示的裂纹。裂纹末端出现侧枝向强度更低的齿轮心部延伸,是由于外应力大于齿轮心部强度而形成的疲劳裂纹。

3、结论与建议

齿轮由于热处理工艺不当,致使有效硬化层较浅,心部组织存在大量铁素体,不能承载设计载荷而产生开裂。

建议改善热处理工艺。通过加长渗碳时间来提高有效硬化层的深度;同时可以加快工件的淬火后的冷却速度来改善齿轮心部组织,消除大部分块状铁素体。