滲碳淬火齒輪斷齒分析

■ 張茂國

齒輪在變速器中運轉時，齒面承受接觸應力，齒根部位承受彎曲應力。因此，齒輪的失效形式主要分為齒面疲勞引起的點蝕、剝落和齒根疲勞引起的斷齒。滲碳淬火作為高速重載齒輪最常用和最成熟的工藝，能夠同時提高齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度，但是由于滲碳淬火工藝較復雜，因此在熱處理過程中會產生各種類型的缺陷，反而導致齒輪的早期失效。

我公司新開發的某型變速器總成在進行疲勞壽命試驗時，某檔位齒輪發生了斷齒。設計要求該齒輪材料為8620H，滲碳后經淬火和低溫回火處理，有效硬化層深0.8～1.3mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度30～45HRC。為了確定斷齒原因，對其斷口形貌、材質、熱處理質量等進行了檢測和分析。

圖1 斷齒全貌

圖2 斷口形貌

圖3 裂紋源

1. 理化檢測分析

（1）宏觀觀察 失效齒輪整體形貌如圖1所示，部分齒輪從齒根部位整體斷裂，斷齒數量超過總齒數的一半。斷口宏觀形貌如圖2所示。從斷口形貌上觀察，大部分斷口呈明顯的疲勞斷裂特征，斷裂源位于齒根處，疲勞擴展區光滑，呈放射狀向外擴展，面積占整個齒根面積的1/3～1/2，瞬斷區斷口較粗糙，呈暗灰色。除疲勞斷口外，有部分齒輪斷口無疲勞斷裂特征，為一次性過載斷裂。

（2）斷口微觀形貌 經過取樣，在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌。裂紋源形貌如圖3所示，裂紋源位于齒根部位，從圖中可以觀察到，該斷口裂紋源并未收斂于一點，而是呈線形，裂紋源經過反復摩擦和擠壓后表面光滑，在裂紋源部位進一步放大觀察到局部有黑色異常組織（見圖4）；……