車橋從動齒輪材料疏松缺陷分析

高永強

鄭州華威齒輪有限公司 河南鄭州 450000

主動、從動錐齒輪是汽車后橋傳動的主要承載傳動件，也是汽車底盤的核心部件，其穩定可靠工作是汽車安全運行的重要保證，其質量的好壞直接影響到車輛的正常行駛。

目前，國內外汽車后橋齒輪主要的失效形式是斷齒。其中有一部分是由于車輛超載造成，還有一部分是齒輪材料缺陷如縮孔（縮松）所致，從而造成車輛在行駛過程中出現打齒失效。而材料冶煉技術的提高是我國鋼鐵行業亟待解決的問題。

汽車后橋齒輪在加工過程中，發現從動齒輪內孔臺階R角處存在孔洞類缺陷，同時在齒輪的兩處齒根位置也出現了肉眼可見的孔洞類缺陷。

齒輪主要加工過程為：下料→鍛造成型→等溫正火→機加工→滲碳→淬火→拋丸→研齒。目前，出現上述缺陷的齒輪有4件，均是在淬火后發現的，由于該齒輪缺陷基本屬一類，于是就針對該齒輪的缺陷展開分析（材料為20CrMnTi）。

對淬火后發現存在缺陷的1件齒輪（命名為“加工齒輪”）進行外觀觀察，對人為打斷的缺陷處斷口進行宏微觀觀察和能譜分析，對缺陷處的金相進行檢查和能譜分析，對齒輪原料進行高低倍組織、夾雜物檢查和熱模擬試驗，在以上試驗的基礎上，確定缺陷的性質，分析缺陷產生原因。

檢驗過程與結果

1.宏觀觀察

齒輪外觀及缺陷位置如圖1所示，缺陷主要分布在內孔臺階R角處，呈大小不等的孔洞類缺陷特征。

圖1 加工齒輪外觀及缺陷位置

齒輪缺陷外觀如圖2所示，缺陷形狀不規則，主要分布在輪齒靠內孔的中下部區域，截面呈縮孔狀特征，橫截面上可見缺陷位于流線狀形貌末端。

圖2 加工齒輪缺陷外觀

2.齒輪微觀觀察

人為打開齒輪兩處缺陷（分別命名為缺陷區1和缺陷區2），對缺陷區及附近完好區斷口進行宏微觀觀察。

兩個缺陷區的斷口宏微觀特征相似：斷口宏觀較粗糙，缺陷區色澤較暗（暗灰黑色），完好區色澤較亮（銀灰色），分別如圖3和圖4所示；缺陷區可見顆粒狀沿晶形貌，沿晶面附著較多顆粒物、無明顯斷裂特征，分別如圖5和圖6所示，裸露在齒輪表面的缺陷區氧化、污染較重；缺陷區可見自由凝固面、其上可見晶界及夾雜物特征，如圖7和圖8所示；完好區可見沿夾雜物斷裂特征，如圖9和圖10所示。

圖3 加工齒輪缺陷區1斷口宏觀

圖4 加工齒輪缺陷區2氧化污染較重區

圖6 加工齒輪缺陷區2沿晶形貌發

圖7 加工齒輪缺陷自由凝固面及夾雜物

圖8 加工齒輪缺陷區自由凝固面及附近完好區沿夾雜物斷裂形貌

圖10 加工齒輪缺陷區2斷口宏觀

3.齒輪能譜分析

對加工齒輪缺陷區及附近完好區斷口進行掃描電鏡能譜分析，結果如圖11～圖13所示，缺陷區局部Mn、Cr等元素含量較高；夾雜物分為Al元素含量高的少量夾雜物和S、Mn元素含量較多的大量夾雜物（硫化錳夾雜）。

圖11 加工齒輪缺陷能譜分析

圖12 加工齒輪缺陷區夾雜物能譜分析位置2

圖13 加工齒輪夾雜物能譜分析位置

對加工齒輪缺陷區及附近完好區分別在拋光態和腐蝕態下進行掃描電鏡能譜分析，結果如圖14～圖15所示，缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好區高。

圖14 加工齒輪缺陷區（拋光態）能譜分析

圖15 加工齒輪正常區（拋光態）能譜分析位置

4.齒輪及原材料金相組織觀察

在齒輪缺陷區制取徑向截面試樣進行金相組織觀察，結果如圖16所示，缺陷呈縮孔（縮松）狀特征，部分孔洞周邊可見脫碳及沿晶界析出鐵素體特征，正常區則為馬氏體組織。

圖16 齒輪缺陷區組織

對齒輪原材料進行低倍組織檢查及能譜分析（見圖17），中心縮松（縮孔）級別在1～2級，滿足技術要求的≤2.5級。齒輪原材料縱向夾雜物主要是A類（硫化錳）細系、等級為 3級 的夾雜物，級別在技術要求≤3級的上限；能譜分析主要為O和Fe元素，含有一定Cr元素的夾雜物，如圖18所示。

圖17 原材料低倍組織、能譜分析位置

圖18 原材料縱截面金相組織

分析與討論

齒輪斷口缺陷區色澤較暗（暗灰黑色），完好區色澤較亮（銀灰色），缺陷區周邊金相組織可見脫碳缺陷區可見顆粒狀沿晶形貌，沿晶面無明顯斷裂特征（如棱線）、 附著較多顆粒物、局部顆粒物Mn、Cr等元素含量較高，可見自由凝固面，局部自由凝固面上有夾雜物（Al元素含量高的夾雜物和硫化錳夾雜物等）、Mn、Cr等元素含量較高，缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好區高。這表明齒輪缺陷的形成可能與元素偏析或夾雜物較多有關。

能譜分析表明，缺陷區沿晶面局部顆粒物Mn、Cr等元素含量較高、可見Mn元素為主、同時含有較高的O、Fe元素的顆粒物（應為錳鐵的氧化物）及Mn、Cr元素為主、同時含有較高的O、Fe元素的顆粒物（應為錳鉻鐵的氧化物），缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好區高，局部缺陷區及完好區斷口均可見較多夾雜物。這表明故障齒輪成分均勻性較差，存在夾雜物及偏析。

齒輪原材料低倍組織中可見中心疏松（常由鋼錠中心部位最后凝固收縮得不到鋼液補充造成縮松和在該區嚴重的氣體和夾雜物偏析所致）。原材料夾雜物主要是A類（硫化錳）細系、等級為 3級 的夾雜物（級別在技術要求≤3級的上限），可見Cr元素含量較高的夾雜物。這表明齒輪原材料中存在疏松和偏析。

以上分析表明，齒輪缺陷與原材料中存在較重的偏析和夾雜物、縮孔（縮松）有關。

結語

1）齒輪缺陷為呈縮孔（縮松）狀特征、而具有顆粒狀夾雜物的孔洞，孔洞表面無明顯斷裂特征。

2）齒輪缺陷與原材料中存在較重的偏析和夾雜物、縮孔（縮松）有關。

3）孔洞表面顆粒狀夾雜物中有錳鐵的氧化物和錳鉻鐵的氧化物。