40Cr变速箱齿轮断裂原因分析

周 燕，郑宏伟，王 磊

(南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035)

齿轮是变速箱内部的核心组件，其可靠运行是车辆正常行驶的必要前提。由于车辆行驶条件的多样性以及平行轴式变速箱的结构特点，使齿轮的实际工况较为复杂[1-4]。齿轮在运行过程中，啮合齿面之间既有滚动，又有滑动，而且齿轮根部还将受到交变弯曲应力的作用，要求齿轮表面有较高的硬度及耐磨性，心部具有较好的强韧性。齿轮材料通常为40Cr，热处理工艺为调质后表面进行高频淬火[5-9]。

齿轮的断齿会对车辆运行的安全性造成极大影响。因此，对40Cr齿轮的断齿问题研究有较大的现实意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料取自某齿轮加工厂的40Cr断齿零件，化学成分如表1所示。

表1 试验用钢的主要合金成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

对40Cr断齿零件进行切割取样，图1中4个区域为该断齿零件取样部位，本试验所取4个断齿分别按照图1中断齿零件逆时针排序，其中1#断齿和3#断齿、2#断齿和4#断齿在断齿零件上呈对称分布。对4个断齿试样进行宏观断口观察，并取1#断齿进行扫描电镜观察。

将1#断齿左侧的齿根部位按图1(a)中虚线进行切割，经研磨、抛光和侵蚀后，制备成金相试样，如图1(b)所示；分别检测试样从齿根处向下5、10、15、20和25 mm处的金相组织和硬度，此处硬度为“齿根处纵向硬度”，检测部位如图1(b)中黑色刻度所示；对图1(a)中1#断齿处断口进行超声波清洗后，采用扫描电子显微镜(SEM)对失效断口进行观察，图1(c)为清洗后断口；断口观察后采用台式砂轮机将图1(c)中所示1#断齿断口凸起处打磨至齿根部，打磨后1#断齿如图1(d)所示，对1#断齿左侧齿边向齿内1、2、3、4和5 mm处进行硬度检验，此处硬度为“齿根处横向硬度”。

(a)取样部位；(b)纵向检测部位；(c)1#失效断口；(d)横向检测部位图1 40Cr断齿零件(a)sampling position；(b)longitudinal inspection position；(c)failure fracture of 1#；(d)transverse inspection positionFig.1 40Cr fracture gear

2 试验结果与分析

2.1 金相组织

对40Cr断齿零件进行取样和检测，其金相组织如图2所示。40Cr断齿零件距表面约5 mm以内部位的组织为马氏体，距表面5 mm以外部位的组织为索氏体+少量铁素体。因此，同一零件距表面不同深度的组织是有差异的，其原因与该零件的淬透性和截面尺寸有关。

2.2 硬度

采用维氏硬度计对齿根处纵向硬度进行检测，试验结果如表2所示。40Cr断齿零件(齿根处)纵向淬硬层深约为5 mm，横向淬硬层深大于5 mm，淬硬层硬度及深度正常。

2.3 宏观断口

选取40Cr断齿零件中4个断齿，采用DMSZ7视频一体机进行宏观断口观察，断齿编号和取样位置见图1。图3为各断齿宏观断口形貌，可知1#和2#断齿具有相似的断口形貌，3#和4#断齿具有相似的断口形貌，故本试验主要针对2#和4#断齿断口形貌进行观察与分析。

表2 40Cr断齿零件的硬度

观察图3(b)和图3(d)可知，2#断齿有3处裂纹源，见图3(b)虚线区域；4#断齿有2处裂纹源，见图3(d)虚线区域。图4、图5分别为2#、4#断齿裂纹源宏观断口形貌。

(a,b)5 mm;(c,d)10 mm;(e,f)15 mm;(g,h)20 mm;(i,j)25 mm图2 40Cr断齿零件不同深度处金相组织Fig.2 Microstructure of 40Cr fracture gear at various depth

(a)1#断齿;(b)2#断齿;(c)3#断齿;(d)4#断齿图3 40Cr断齿宏观断口形貌(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

图4 2#断齿裂纹源Fig.4 Crack source of 2# fracture gear

图5 4#断齿裂纹源Fig.5 Crack source of 4# fracture gear

2.4 微观断口

对1#断齿进行线切割采样，位置如图6所示。超声波清洗后对微观断口进行SEM观察，以进一步确定其断裂类型。图7(a)为图6中虚线区域A处的放大图片，图7(b)、图7(c)和图7(d)分别是图7(a)中虚线区域A-1、A-2和A-3处的放大图片。图8(a)为图6中虚线区域B处的放大图片，图8(b)和图8(c)分别是图8(a)中虚线区域B-1和B-2处的放大图片。

图6 1#断齿的宏观断口Fig.6 Macro fracture of 1# fracture gear

(a)图6中A处；(b)图7(a)中A-1区域；(c)图7(a)中A-2区域；(d)图7(a)中A-3区域图7 1# 齿轮A处断口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)图6中B处；(b)图8(a)中B-1区域；(c)图8(a)中B-2区域图8 1# 齿轮B处断口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 讨论与分析

由40Cr断齿的金相和硬度检测结果来看，金相和硬度结果正常，未发现异常情况。

通过宏观断口观察发现，1#和2#断齿具有相似断口形貌，近齿根处都有三处裂纹源，其中有一个裂纹源位于断齿左边缘上方，其余两个裂纹源分别位于断齿右边缘上方和下方，三个裂纹源在零件断裂过程中分别向齿心处扩展，最后在齿心处汇集。3#和4#断齿具有相似断口形貌，近齿根处都有两处裂纹源，其中一个裂纹源位于断齿左边缘上方，另一个裂纹源位于断齿右边缘中间，两个裂纹源在零件断裂过程中都向齿心处扩展，最后在齿心处汇集。可以看出，四个断齿的受力情况具有明显差异，1#、2#断齿与3#、4#断齿相比，其裂纹源的位置和数量均不相同，说明该齿轮在服役过程中受到顺时针和逆时针方向的反复交替载荷作用，且齿轮的啮合性不高，导致齿轮近齿根处齿面受力不均匀。

对图7(a)虚线区域放大观察，发现图7(b)所示A-1区域已经被磨平，无法进行失效观察；图7(c)和图7(d)所示A-2和A-3区域都可以看见典型韧性断裂的微观断口形貌-韧窝特征。对图8(a)虚线区域放大观察，在图8(b)所示B-1区域靠近齿根表面硬化层附近，可以看见韧窝、少量沿晶断裂和解理断裂的形貌特征；图8(c)所示B-2区域可以看见大量的韧窝。

通过微观断口观察，在1#断齿断口未发现疲劳断裂的疲劳辉纹特征，但在其两处裂纹源附近均发现了韧窝。可以确定该断齿的断裂方式主要是以韧性断裂为主。

4 结论

1)40Cr断齿零件距表面约5 mm以内部位的组织为马氏体组织，距表面5 mm以外部位的组织为索氏体+少量铁素体，其纵向淬硬层深约为5 mm，横向淬硬层深大于5 mm，淬硬层深度和硬度正常。

2)40Cr齿轮在服役时受到顺时针和逆时针方向的反复交替过载载荷作用，且齿轮的啮合性不高，导致齿轮齿身处受力不均匀，从而产生过载断裂。