两例齿轮裂纹产生的原因分析

赵 宁

(西安法士特汽车传动有限公司，陕西西安 710075)

0 概述

汽车齿轮一般生产过程为锻造→等温正火→机械切削加工→渗碳淬火→磨削→成品。其中，齿轮在经过渗碳淬火回火后，要进行金相组织检验，判断其组织、硬化层深等是否合格。在汽车齿轮中出现裂纹是不允许的，即使是微观裂纹，在后续的交变重载荷下，其裂纹源也会扩展，使齿部出现断裂、掉块等现象，导致齿轮失效。齿轮的裂纹又分为肉眼可见的宏观裂纹和微观裂纹，宏观裂纹在生产工序中很容易被发现隔离处理，而微观裂纹则需要通过金相显微镜来识别[1]。本文通过对两种齿轮裂纹的形成原因进行分析，并找出预防出现裂纹的方法。

1 第1例宏观裂纹分析

1.1 齿轮裂纹宏观形貌

齿轮零件为汽车同步器齿毂，材料为8620H。该零件经过正常渗碳淬火回火等热处理后，在清理抛丸后发现齿部有裂纹，肉眼可见。打开裂纹后，发现断口表面严重锈蚀。齿轮裂纹宏观形貌、断口位置如图1、图2所示。

图1 齿轮裂纹宏观形貌

图2 断口位置

1.2 金相分析

按图2白框所示取样后，对切面进行金相观察，如图3～图6所示。观察可见，整个切面上可见大量点、块、条状缺陷，接近端面分布较多，心部相对较少，且分布散乱。将切面部分缺陷局部放大，可见内部存在灰黑色异相组织。腐蚀后观察，部分缺陷组织处存在高碳马氏体，见图5，另有局部存在脱碳现象，组织主要为铁素体，见图6。

图3 样品切面

图4 切面局部缺陷

图5 腐蚀后缺陷附近组织

图6 腐蚀后缺陷处组织

将断口和样品切面置于扫描电镜下观察，缺陷和断口微观形貌见图7、图8。

图7 断口表面

图8 切面缺陷形貌

由图7可见，断口表面存在孔洞和锈蚀，切面存在大量散乱分布的点、块、条状缺陷。图8中存在多个形貌异常的库块状组织。

1.3 能谱分析

对所取试样切面处缺陷进行能谱分析，图9、图10为分析能谱谱图位置，对应分析结果分别见表1、表2。

图9 谱图位置

图10 谱图位置

表1 图9谱图结果%

表2 图10谱图结果 %

1.4 结果分析

根据金相观察可知，金相观察未见过热过烧组织。整个切面上均存在点、块、条状缺陷且分布散乱。部分缺陷处组织含有高碳马氏体，因此判断缺陷产生于热处理渗碳之前，且较深处还存在大量的脱碳和氧化物。由此推测该缺陷应产生于锻造或者原材料冶炼环节[2]。根据能谱分析可知，缺陷处主要成分为O、Cr、Mn、Al等，锻造过程难以产生图10中O、Cr、Mn、Al含量较高的异相组织。综合分析，笔者认为应从原材料方面查找原因。建议对进厂的钢材原材料加大夹杂等检验力度，控制原材料质量。

2 第2例微观裂纹分析

2.1 样品状态

轴齿零件经渗碳淬火回火后，金相检测发现齿顶部位有裂纹，轴齿整体形貌见图11。轴齿零件上切取2个试块，A试块上发现2个齿顶裂纹，B试块上没有发现裂纹。

图11 轴齿形貌

2.2 金相分析

A样块上两条裂纹（编为裂纹1、裂纹2）的宏观形貌见图12、图13，裂纹与齿顶形成1个小锐角。

图12 裂纹1宏观形貌

图13 裂纹2宏观形貌

裂纹1的形貌、裂纹1的金相组织见图14、图15。裂纹距表面深度约0.3 mm，长度约1 mm；裂纹与表面平行，沿晶扩展；裂纹附近有细小裂纹与主裂纹平行或垂直分布；裂纹两侧组织均为高碳马氏体+残余奥氏体，裂纹两侧无脱碳、氧化等现象。

图14 裂纹形貌100×

图15 裂纹金相组织500×

2.3 零件形貌

在体式镜下观察零件，在线切割切口的齿顶上发现有裂纹，形貌与金相样块上裂纹的宏观形貌一致，见图16、图17。而未线切割部位，均未发现裂纹。

图16 齿顶裂纹形貌

图17 齿顶裂纹形貌

2.4 结果分析

裂纹两侧组织均为高碳马氏体+残余奥氏体，未发现脱碳、氧化等现象，说明裂纹产生在渗碳淬火回火后[3]。裂纹沿晶扩展，裂纹部位未发现有磕碰痕迹，说明裂纹为内应力过大产生的裂纹。在每个线切割切口上均发现齿顶有裂纹，且裂纹形貌完全一致，其余部位未发现裂纹，判断裂纹是线切割过程中齿顶内应力过大产生的开裂。后续应将零件充分回火处理，保证在线切割过程中合理控制切割速度，冷却水流量合理，避免产生开裂。

3 结论

通过对两种齿轮裂纹产生的原因进行分析，认为宏观裂纹应产生于锻造和材料的冶炼环节，应从加强原材料质量控制入手进行预防。而微观裂纹则是由于加工过程中造成零件内应力过大而产生，应在回火处理和线切割等过程中予以注意。