汽車同步器齒套斷齒原因

楊 永,張 宇

(通標標準技術服務有限公司 南京分公司，南京 210001)

16MnCr5鋼為德國引進鋼種，有較好的淬透性和切削性，熱處理后可得到較高的表面硬度和耐磨性，且低溫沖擊韌性較好。16MnCr5鋼主要用于制造齒套、齒輪和蝸桿等零部件[1-2]，一般要經滲碳淬火后使用。

齒套加工工藝過程為:鍛造→拉削→加工→滲碳→感應淬火→拋丸。某公司采用16MnCr5鋼制造的汽車同步器齒套在高速試驗結束后，拆解發現有3個結合齒斷裂，為找到結合齒斷裂的原因，筆者進行了檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1 失效同步器齒套宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of failure synchronizer gear sleeve

圖2 斷裂齒宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of broken teeth

圖3 未斷齒宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of non broken teeth

失效同步器齒套的宏觀形貌如圖1所示，其中右側箭頭指向處為結合齒斷裂處，左側箭頭指向處為結合齒未斷裂處。采用線切割法分別將斷裂處和未斷裂處取下，發現斷裂的3個齒均沿內壁根部折裂。采用Stemi508型體視顯微鏡對齒套3個斷裂的結合齒(編號為I，II，III)和未斷裂的3個結合齒進行觀察，宏觀形貌如圖2和圖3所示。可見斷裂齒宏觀斷口較平齊，未見宏觀材料缺陷，斷口外側稍有起伏，結合裂紋擴展形貌和齒套工作時的受力情況，可判斷斷裂起源于齒內側的R角處，并向外擴展直至斷裂。

1.2 化學成分分析

利用ARL-4460型直讀光譜儀及GCS-3000型碳硫分析儀對齒套的化學成分進行分析，結果如表1所示。可知齒套的化學成分滿足標準EN 10084:2008CaseHardeningSteels—TechnicalDeliveryConditions的技術要求。

表1 齒套的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of gear sleeve (mass fraction) %

1.3 掃描電鏡及能譜分析

為簡化分析，取齒II為分析對象，采用Sigma 300型掃描電鏡對其進行觀察，SEM形貌如圖4所示。將斷口分為靠近內側R角的A區、中心的B區和靠近外表面的C區，如圖4a)所示，其中A區為裂紋源區，B區為裂紋擴展區，C區為最終斷裂區。圖4b)為A區形貌，呈明顯的沿晶特征；圖4c)為B區形貌，部分呈韌窩形貌，并伴有夾雜；圖4d)為C區形貌，該區也呈明顯的沿晶特征[3]。

圖4 齒II斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of tooth II:a) observation positions; b) morphology of area A; c) morphology of area B; d) morphology of area C

圖5 齒II斷口裂紋源區能譜分析位置及結果Fig.5 EDS analysis positions and results of crack source area on fracture of tooth II:a) analysis positions; b) analysis results of position 4

為進一步分析結合齒斷裂的原因，采用掃描電鏡附帶的能譜儀對齒II斷口的裂紋源區及裂紋擴展區進行成分定性及半定量分析。裂紋源區的分析結果如圖5和表2所示，可見斷口有輕度氧化，未見異常元素，有少量MnS夾雜；裂紋擴展區分析結果如圖6和表3所示，可見斷口有較多的MnS夾雜。

表2 齒II斷口裂紋源區能譜定性及半定量分析結果(質量分數)Tab.2 Qualitative and semi quantitative analysis results of energy spectrum at crack source area on fracture of tooth II (mass fraction) %

圖6 齒II斷口裂紋擴展區能譜分析位置及結果Fig.6 EDS analysis positions and results ofcrack growth area on fracture of tooth II:a) analysis positions; b) analysis results of position 5

表3 齒II斷口裂紋擴展區能譜定性及半定量分析結果(質量分數)Tab.3 Qualitative and semi quantitative analysis results of energy spectrum at crack growth area on fracture of tooth II (mass fraction) %

1.4 硬度及滲碳淬硬層有效深度測試

在齒套上截取硬度試樣，采用顯微維氏硬度計進行硬度測試，測試結果如表4所示。可知齒套表面硬度的平均值為722 HV1，滿足客戶的要求。

表4 齒套表面硬度測試結果Tab.4 Surface hardness test results of gear sleeve HV1

為了確定齒套的硬化層深度，根據GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》的技術要求，采用顯微維氏硬度計對其進行梯度硬度測試，結果如圖7所示。可知從表面到心部硬度逐漸降低，齒圈滲碳淬火硬化層(從零件表面到維氏硬度為550 HV1處的垂直距離)的深度為0.46 mm，滿足客戶的技術要求(0.3～0.7 mm)。

圖7 齒套沿厚度方向的硬度梯度曲線Fig.7 Hardness gradient curve of gear sleeve along thickness direction

1.5 金相檢驗

在齒套齒底R角剖面(見圖2切割線)處截取金相試樣進行觀察，斷裂齒和未斷齒的齒底R角處滲碳淬火層形貌如圖8和圖9所示。可見斷裂處和R角處未見明顯金屬流變，R角過渡區曲率半徑很小，接近直角。此外在未斷齒上發現一條裂紋，幾乎完全貫穿齒面，裂紋起源于齒底的R角處。根據GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》對斷裂齒和未斷齒的顯微組織進行評級，其中斷裂齒顯微組織評級結果為表面沿晶氧化層深度2級，如圖10a)所示；滲碳淬火層馬氏體3級、殘余奧氏體2級，未見異常組織，如圖10b)所示；碳化物1級，如圖10c)所示；心部顯微組織為板條馬氏體，級別為2級，如圖10d)所示；夾雜物級別為A1級，可見較多細小的硫化物，如圖10e)所示。未斷齒顯微組織評級結果為表面沿晶氧化層深度2級，如圖11a)所示；滲碳淬火層馬氏體3級、殘余奧氏體2級，未見異常組織，如圖11b)所示；碳化物1級，如圖11c)所示；心部顯微組織為板條馬氏體，級別為2級，如圖11d)所示；夾雜物級別為A1級，并可見較多細小的硫化物，如圖11e)所示。

圖8 斷裂齒低倍形貌Fig.8 Morphology of broken tooth at low magnification

圖9 未斷齒低倍形貌Fig.9 Morphology of non broken tooth at low magnification

圖10 斷裂齒不同區域顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of different areas of broken tooth:a) edge intergranular oxidation; b) carburized layer; c) carbide; d) matrix; e) inclusions

進一步觀察未斷齒裂紋形貌，可見裂紋源區開口較大，如圖12a)所示；擴展區裂紋逐漸收窄，如圖12b)所示；裂紋末端可以明顯看到為沿晶開裂[4-5]，整個裂紋均無脫碳，判斷未斷齒的裂紋開裂形式和斷裂齒的一樣，裂紋末端形貌如圖12c)所示。

2 分析與討論

掃描電鏡分析顯示齒套的裂紋起源于齒根R角處，斷口未見宏觀缺陷，齒II斷口裂紋源區及最終斷裂區均可見明顯的沿晶斷裂特征，斷口上存在MnS夾雜；金相檢驗可知斷裂齒和未斷齒表面的沿晶氧化層、滲碳淬火層組織、碳化物含量、心部組織以及夾雜物等級均未見明顯差異；未斷裂齒同樣存在幾乎貫通的裂紋，裂紋起源于齒根R角處，末端可以明顯看出為沿晶開裂。此外，齒套表面存在沿晶氧化，其形成和滲碳有關。滲碳是金屬表面處理的一種，多應用于低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性的滲碳介質中，加熱到900～950 ℃的單相奧氏體區，保溫足夠時間后，使滲碳介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而使表層獲得高碳，心部仍保持原有成分。當滲碳氣氛中存在氧時，因鉻、錳、硅與氧的親和力大于鐵，會導致出現沿晶氧化的現象，沿晶氧化降低了晶界結合力，而淬火會形成較大的組織應力和熱應力[6]，曲率半徑很小的R角處原本就是應力相對較大的地方，在工作應力的作用下，很容易使氧化處產生微裂紋并擴展，最終導致結合齒斷裂。

圖11 未斷齒不同區域顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of different areas of non broken tooth:a) edge intergranular oxidation; b) carburized layer; c) carbide; d) matrix; e) inclusions

圖12 未斷齒裂紋微觀形貌Fig.12 Micro morphology of crack of non broken tooth:a) crack source area; b) crack growth area; c) end of crack

3 結論及建議

結合齒斷裂和齒根處沿晶氧化有關，沿晶氧化降低了晶界結合力，使得淬火微裂紋在內應力和外載荷共同作用下，沿應力集中的齒底R角處產生并擴展，最終導致結合齒斷裂。

建議齒套淬火后及時回火，消除零件內應力；降低爐內氧化氣氛，盡量消除或減小氧化層深度。