变速器齿轮断齿失效分析

位君,王义,吴喜柱,张志鹏

(华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳 110141)

0 引言

齿轮是变速箱中传递动力的重要零件之一。在运转过程中齿轮齿面承受接触应力，齿根承受弯曲应力，常见的失效形式是齿面点蚀和轮齿折断[1]，因此需保证齿轮的接触和弯曲疲劳强度。而齿轮的强度与其制造工艺、微观组织、热处理工艺等密切相关。渗碳淬火是汽车齿轮常用的热处理工艺，磨齿是热处理后保证齿轮精度的精加工工序，在复杂的工艺过程中可能产生各种类型的缺陷，这些缺陷会降低齿轮的强度，从而导致齿轮疲劳失效。

1 研究对象

某变速器齿轮在进行耐久试验时，临近该工况结束时发生断齿。齿轮材料为20CrMoH，渗碳淬火，有效硬化层深0.4～0.7 mm，表面硬度650～750HV，芯部硬度为30～45HRC。为了确定齿轮断齿原因，对其金相组织、硬度、材质及断口形貌进行检测和分析。该齿轮断裂宏观形貌如图1所示，故障件检测取样位置如图2所示。

2 检测与分析

2.1 金相组织观察与分析

在室温条件下，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液擦拭试样表面直至试样表面发生侵蚀。图3(a)所示为试样1(齿宽1/2 位置)在齿轮法向截面由齿轮顶部至芯部的显微组织。由图可见，齿轮顶端表面附近区域至芯部位置组织依次为：隐晶马氏体、残余奥氏体与少量细小颗粒状碳化物；细针或针状马氏体和残留奥氏体；芯部组织为低碳马氏体组织和少量游离铁素体组织。图3(b)所示为试样1在齿轮法向截面由齿轮根部至芯部的显微组织。由图可见，该附近区域的组织为隐晶、细针马氏体、少量残留奥氏体和少量细小颗粒状碳化物组织，未观察到网状渗碳体或明显表面晶界氧化层组织。试样2齿根区域显微组织如图4所示，在其组织中可观察到较为轻微的表面晶界氧化现象。

图3 试样1显微金相组织

图4 试样2齿根区域显微金相组织

2.2 硬度检测

对齿轮试样芯部进行洛氏硬度测试，洛氏硬度测试方法按照国家标准GB/T 230.1-2018执行。测试结果如表1所示，结果表明：齿轮芯部的洛氏硬度较为均匀，硬度为40.3～44.5HRC。

表1 芯部硬度检测结果(HRC)

针对试样1不同位置齿轮法向方向的硬度分布情况进行检测和分析，采用维氏硬度(HV)分析方法，硬度测试按照GB/T 4340.1-2009和GB/T 3480.5-2008标准执行。检测试样1齿轮顶部-芯部Ⅰ、节圆位置-芯部Ⅱ及齿根-芯部Ⅲ共3个不同位置由表面至齿轮内部的硬度梯度，各个不同位置的硬度梯度检测数据如图5所示。

图5 试样1齿轮不同位置硬度梯度

2.3 材料成分检测

根据国家标准GB/T 223.79-2007对齿轮试样进行化学成分分析，检测结果如表2所示。依据国家标准GB/T 5216-2014，查得20CrMoH 钢的各化学元素范围，通过对比齿轮试样的化学成分与标准化学成分可以得出，齿轮试样的各化学元素成分均在标准化学成分范围之内。

表2 齿轮化学成分(质量分数) %

2.4 断口分析

利用扫描电子显微镜对齿轮断口进行观察和分析，图6所示为齿轮断口宏观形貌图片，图7所示为图6中箭头所示位置局部放大图片。

图6 齿轮断齿宏观形貌

图7 断齿疲劳源区和扩展区形貌

通过对断口的宏观观察及对比局部放大图片，可见齿轮折断位置位于齿根位置，裂纹源区萌生于齿根表面位置，在疲劳裂纹源附近区域可观察到一定数量的疲劳条带和二次裂纹，该位置断口呈典型的疲劳断裂特征。部分断口比较平坦，局部较为粗糙，无明显塑性变形特征，断齿及未断齿与临近啮合齿面均未发现擦伤痕迹，据此可以推测，该齿轮发生折断的过程为首先发生疲劳断裂，导致个别齿轮折断，进而产生冲击，最终导致多齿发生断裂。

3 结论

显微组织观察结果表明个别齿根位置有轻微晶界氧化的现象；硬度检测结果表明部分齿轮齿根位置淬硬层厚度偏小；断口观察结果表明个别齿断口位置可观察到疲劳裂纹源及典型的疲劳断裂特征；齿轮发生疲劳断裂失效与齿根位置表面状态不良密切相关，齿根区域硬化层厚度偏小，产生这一现象的原因也较为复杂：

(1)热处理工艺不良导致齿根位置冷却速度过低，导致该位置淬硬层深过薄；

(2)磨削工艺不良导致齿根位置淬硬层被磨削加工过多；

(3)磨削进给量过大，砂轮过钝，导致磨削瞬间温度过高，引起齿轮表面受到磨削热和磨削力的共同作用引起二次回火损伤等因素，都可能产生淬硬层厚度过低。经渗碳淬火再回火处理后，齿轮表面为回火马氏体组织，在磨削过程中产生的高热，会使马氏体体积收缩形成二次回火体积收缩，因此在该区域表面和近表面受到拉应力作用，并最终导致齿根位置强度降低。

综上，改进热处理、磨削工艺保证齿根位置淬硬层深度；采用强力喷丸工艺，经强力喷丸后可促进组织中的残余奥氏体转化为马氏体组织并产生残余压应力，齿轮表面残余压应力可有效抵消磨削热产生的二次回火体积收缩，显著提高齿轮抗疲劳性能[2-3]以及齿轮寿命。