40Cr變速箱齒輪斷裂原因分析

周 燕，鄭宏偉，王 磊

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035)

齒輪是變速箱內部的核心組件，其可靠運行是車輛正常行駛的必要前提。由于車輛行駛條件的多樣性以及平行軸式變速箱的結構特點，使齒輪的實際工況較為復雜[1-4]。齒輪在運行過程中，嚙合齒面之間既有滾動，又有滑動，而且齒輪根部還將受到交變彎曲應力的作用，要求齒輪表面有較高的硬度及耐磨性，心部具有較好的強韌性。齒輪材料通常為40Cr，熱處理工藝為調質后表面進行高頻淬火[5-9]。

齒輪的斷齒會對車輛運行的安全性造成極大影響。因此，對40Cr齒輪的斷齒問題研究有較大的現實意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自某齒輪加工廠的40Cr斷齒零件，化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的主要合金成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

對40Cr斷齒零件進行切割取樣，圖1中4個區域為該斷齒零件取樣部位，本試驗所取4個斷齒分別按照圖1中斷齒零件逆時針排序，其中1#斷齒和3#斷齒、2#斷齒和4#斷齒在斷齒零件上呈對稱分布。對4個斷齒試樣進行宏觀斷口觀察，并取1#斷齒進行掃描電鏡觀察。

將1#斷齒左側的齒根部位按圖1(a)中虛線進行切割，經研磨、拋光和侵蝕后，制備成金相試樣，如圖1(b)所示；分別檢測試樣從齒根處向下5、10、15、20和25 mm處的金相組織和硬度，此處硬度為“齒根處縱向硬度”，檢測部位如圖1(b)中黑色刻度所示；對圖1(a)中1#斷齒處斷口進行超聲波清洗后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對失效斷口進行觀察，圖1(c)為清洗后斷口；斷口觀察后采用臺式砂輪機將圖1(c)中所示1#斷齒斷口凸起處打磨至齒根部，打磨后1#斷齒如圖1(d)所示，對1#斷齒左側齒邊向齒內1、2、3、4和5 mm處進行硬度檢驗，此處硬度為“齒根處橫向硬度”。

(a)取樣部位；(b)縱向檢測部位；(c)1#失效斷口；(d)橫向檢測部位圖1 40Cr斷齒零件(a)sampling position；(b)longitudinal inspection position；(c)failure fracture of 1#；(d)transverse inspection positionFig.1 40Cr fracture gear

2 試驗結果與分析

2.1 金相組織

對40Cr斷齒零件進行取樣和檢測，其金相組織如圖2所示。40Cr斷齒零件距表面約5 mm以內部位的組織為馬氏體，距表面5 mm以外部位的組織為索氏體+少量鐵素體。因此，同一零件距表面不同深度的組織是有差異的，其原因與該零件的淬透性和截面尺寸有關。

2.2 硬度

采用維氏硬度計對齒根處縱向硬度進行檢測，試驗結果如表2所示。40Cr斷齒零件(齒根處)縱向淬硬層深約為5 mm，橫向淬硬層深大于5 mm，淬硬層硬度及深度正常。

2.3 宏觀斷口

選取40Cr斷齒零件中4個斷齒，采用DMSZ7視頻一體機進行宏觀斷口觀察，斷齒編號和取樣位置見圖1。圖3為各斷齒宏觀斷口形貌，可知1#和2#斷齒具有相似的斷口形貌，3#和4#斷齒具有相似的斷口形貌，故本試驗主要針對2#和4#斷齒斷口形貌進行觀察與分析。

表2 40Cr斷齒零件的硬度

觀察圖3(b)和圖3(d)可知，2#斷齒有3處裂紋源，見圖3(b)虛線區域；4#斷齒有2處裂紋源，見圖3(d)虛線區域。圖4、圖5分別為2#、4#斷齒裂紋源宏觀斷口形貌。

(a,b)5 mm;(c,d)10 mm;(e,f)15 mm;(g,h)20 mm;(i,j)25 mm圖2 40Cr斷齒零件不同深度處金相組織Fig.2 Microstructure of 40Cr fracture gear at various depth

(a)1#斷齒;(b)2#斷齒;(c)3#斷齒;(d)4#斷齒圖3 40Cr斷齒宏觀斷口形貌(a)1# fracture gear；(b)2# fracture gear；(c)3# fracture gear；(d)4# fracture gearFig.3 Macro fracture morphology of of 40Cr fracture gear

圖4 2#斷齒裂紋源Fig.4 Crack source of 2# fracture gear

圖5 4#斷齒裂紋源Fig.5 Crack source of 4# fracture gear

2.4 微觀斷口

對1#斷齒進行線切割采樣，位置如圖6所示。超聲波清洗后對微觀斷口進行SEM觀察，以進一步確定其斷裂類型。圖7(a)為圖6中虛線區域A處的放大圖片，圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)分別是圖7(a)中虛線區域A-1、A-2和A-3處的放大圖片。圖8(a)為圖6中虛線區域B處的放大圖片，圖8(b)和圖8(c)分別是圖8(a)中虛線區域B-1和B-2處的放大圖片。

圖6 1#斷齒的宏觀斷口Fig.6 Macro fracture of 1# fracture gear

(a)圖6中A處；(b)圖7(a)中A-1區域；(c)圖7(a)中A-2區域；(d)圖7(a)中A-3區域圖7 1# 齒輪A處斷口SEM(a)area A in Fig.6；(b)area A-1 in Fig.7(a)；(c)area A-2 in Fig.7(a)；(d)area A-3 in Fig.7(a)Fig.7 SEM of 1# fracture gear A area

(a)圖6中B處；(b)圖8(a)中B-1區域；(c)圖8(a)中B-2區域圖8 1# 齒輪B處斷口SEM(a)area B in Fig.6；(b)area B-1 in Fig.8(a)；(c)area B-2 in Fig.8(a)Fig.8 SEM of 1# fracture gear B area

3 討論與分析

由40Cr斷齒的金相和硬度檢測結果來看，金相和硬度結果正常，未發現異常情況。

通過宏觀斷口觀察發現，1#和2#斷齒具有相似斷口形貌，近齒根處都有三處裂紋源，其中有一個裂紋源位于斷齒左邊緣上方，其余兩個裂紋源分別位于斷齒右邊緣上方和下方，三個裂紋源在零件斷裂過程中分別向齒心處擴展，最后在齒心處匯集。3#和4#斷齒具有相似斷口形貌，近齒根處都有兩處裂紋源，其中一個裂紋源位于斷齒左邊緣上方，另一個裂紋源位于斷齒右邊緣中間，兩個裂紋源在零件斷裂過程中都向齒心處擴展，最后在齒心處匯集。可以看出，四個斷齒的受力情況具有明顯差異，1#、2#斷齒與3#、4#斷齒相比，其裂紋源的位置和數量均不相同，說明該齒輪在服役過程中受到順時針和逆時針方向的反復交替載荷作用，且齒輪的嚙合性不高，導致齒輪近齒根處齒面受力不均勻。

對圖7(a)虛線區域放大觀察，發現圖7(b)所示A-1區域已經被磨平，無法進行失效觀察；圖7(c)和圖7(d)所示A-2和A-3區域都可以看見典型韌性斷裂的微觀斷口形貌-韌窩特征。對圖8(a)虛線區域放大觀察，在圖8(b)所示B-1區域靠近齒根表面硬化層附近，可以看見韌窩、少量沿晶斷裂和解理斷裂的形貌特征；圖8(c)所示B-2區域可以看見大量的韌窩。

通過微觀斷口觀察，在1#斷齒斷口未發現疲勞斷裂的疲勞輝紋特征，但在其兩處裂紋源附近均發現了韌窩。可以確定該斷齒的斷裂方式主要是以韌性斷裂為主。

4 結論

1)40Cr斷齒零件距表面約5 mm以內部位的組織為馬氏體組織，距表面5 mm以外部位的組織為索氏體+少量鐵素體，其縱向淬硬層深約為5 mm，橫向淬硬層深大于5 mm，淬硬層深度和硬度正常。

2)40Cr齒輪在服役時受到順時針和逆時針方向的反復交替過載載荷作用，且齒輪的嚙合性不高，導致齒輪齒身處受力不均勻，從而產生過載斷裂。