25K中桥弧齿锥齿轮失效分析

重庆大江信达车辆股份有限公司 （401321） 李芝明

主传动主、从动齿轮A2504084XA、A2504101XA是我公司供徐重25K中桥的重要传动部件，近期该部件在用户使用过程中发生多起早期断裂失效。

1.检验分析

该齿轮材料为20CrMnMo，加工工序：锻造→粗加工→正火→精加工→渗碳淬火+回火→抛丸→机加工→装配。中桥差速器主传动主、从动齿打齿，差速器壳损伤严重，检查其他部件未出现异常。拆解后发现主传动主从动齿轮均已失效（见附图）；主动齿轮断齿较严重，附图c中齿根部开裂并向齿心部凹处连根断裂；仅有个别齿为完整的齿形；从动齿轮分度圆以上部分也出现部分断齿（见附图d）。

断裂失效齿轮副的宏观形貌图

硬度试验分析见表1，可见该产品表面硬度值符合技术要求，但主传动主动齿轮心部硬度只有24～26HRC，远低于技术要求（齿面以及其余表面硬度58～64HRC，心部硬度29～45HRC）。心部硬度过低会大大降低主动齿轮的齿根抗弯强度和疲劳强度。

表1 硬度试验

对断齿进行金相分析，取断齿的横截面为金相磨面，经4%硝酸酒精浸蚀后观察： ①主传动主动齿轮，齿根未磨损部位渗碳层深为齿面1.3mm、齿根0.78mm，碳化物级别2级，马氏体及残留奥氏体2级。断齿部位（齿心）组织为板条状马氏体+部分块状铁素体。②主传动从动齿轮，渗碳层深为齿面1.4mm、齿根1.2～1.3mm，碳化物级别2级，马氏体及残留奥氏体2级。金相分析表明：组织状态良好，但主传动主动齿轮齿根渗碳层深度明显不足，低于技术要求1.2～1.6mm。

对主传动主、从动齿轮材料成分分析如表2所示，根据国家标准GB/T3077－1999，主传动主动齿轮化学成分Cr、Mo不符合20CrMnMo含量标准。

2.结果分析

经宏观检查后发现主动轮齿从齿根部开裂并向齿心部凹处连根折断，其明显表现为齿根强度不足所致。从动齿轮失效部位主要在齿的分度圆以上部分啮合区断齿，其形态应为主动轮断齿后瞬间对从动齿的啮合区域形成巨大的冲击力所致，可见断齿部位裂纹源位于主动齿轮齿根部位。

表2 化学成分（质量分数） （%）

钢铁材料中的Cr、Mo元素均可提高材料的淬火淬透性能，但通过试验分析发现主动齿轮中Cr、Mo元素含量远远低于20CrMnMo国家标准对该材料的含量要求（国家标准要求：wCr=1.1%～1.4%，wMo=0.2%～0.3%），严重影响了该产品的热处理淬透性，导致热处理后产品硬化层深度过浅，心部硬度达不到技术要求，使产品心部硬度和强度降低。正是由于产品齿根强度达不到要求，最终导致用户在使用过程中早期失效。

3.建议方案

建议原材料入厂严格验收，对热处理实物质量严格把关。同时，设计上应加强主动齿轮的齿根强度要求及齿根部位的硬化层要求，并考虑其他措施强化齿轮副齿根的抗弯矩强度。