车桥从动齿轮材料疏松缺陷分析

高永强

郑州华威齿轮有限公司 河南郑州 450000

主动、从动锥齿轮是汽车后桥传动的主要承载传动件，也是汽车底盘的核心部件，其稳定可靠工作是汽车安全运行的重要保证，其质量的好坏直接影响到车辆的正常行驶。

目前，国内外汽车后桥齿轮主要的失效形式是断齿。其中有一部分是由于车辆超载造成，还有一部分是齿轮材料缺陷如缩孔（缩松）所致，从而造成车辆在行驶过程中出现打齿失效。而材料冶炼技术的提高是我国钢铁行业亟待解决的问题。

汽车后桥齿轮在加工过程中，发现从动齿轮内孔台阶R角处存在孔洞类缺陷，同时在齿轮的两处齿根位置也出现了肉眼可见的孔洞类缺陷。

齿轮主要加工过程为：下料→锻造成型→等温正火→机加工→渗碳→淬火→抛丸→研齿。目前，出现上述缺陷的齿轮有4件，均是在淬火后发现的，由于该齿轮缺陷基本属一类，于是就针对该齿轮的缺陷展开分析（材料为20CrMnTi）。

对淬火后发现存在缺陷的1件齿轮（命名为“加工齿轮”）进行外观观察，对人为打断的缺陷处断口进行宏微观观察和能谱分析，对缺陷处的金相进行检查和能谱分析，对齿轮原料进行高低倍组织、夹杂物检查和热模拟试验，在以上试验的基础上，确定缺陷的性质，分析缺陷产生原因。

检验过程与结果

1.宏观观察

齿轮外观及缺陷位置如图1所示，缺陷主要分布在内孔台阶R角处，呈大小不等的孔洞类缺陷特征。

图1 加工齿轮外观及缺陷位置

齿轮缺陷外观如图2所示，缺陷形状不规则，主要分布在轮齿靠内孔的中下部区域，截面呈缩孔状特征，横截面上可见缺陷位于流线状形貌末端。

图2 加工齿轮缺陷外观

2.齿轮微观观察

人为打开齿轮两处缺陷（分别命名为缺陷区1和缺陷区2），对缺陷区及附近完好区断口进行宏微观观察。

两个缺陷区的断口宏微观特征相似：断口宏观较粗糙，缺陷区色泽较暗（暗灰黑色），完好区色泽较亮（银灰色），分别如图3和图4所示；缺陷区可见颗粒状沿晶形貌，沿晶面附着较多颗粒物、无明显断裂特征，分别如图5和图6所示，裸露在齿轮表面的缺陷区氧化、污染较重；缺陷区可见自由凝固面、其上可见晶界及夹杂物特征，如图7和图8所示；完好区可见沿夹杂物断裂特征，如图9和图10所示。

图3 加工齿轮缺陷区1断口宏观

图4 加工齿轮缺陷区2氧化污染较重区

图6 加工齿轮缺陷区2沿晶形貌发

图7 加工齿轮缺陷自由凝固面及夹杂物

图8 加工齿轮缺陷区自由凝固面及附近完好区沿夹杂物断裂形貌

图10 加工齿轮缺陷区2断口宏观

3.齿轮能谱分析

对加工齿轮缺陷区及附近完好区断口进行扫描电镜能谱分析，结果如图11～图13所示，缺陷区局部Mn、Cr等元素含量较高；夹杂物分为Al元素含量高的少量夹杂物和S、Mn元素含量较多的大量夹杂物（硫化锰夹杂）。

图11 加工齿轮缺陷能谱分析

图12 加工齿轮缺陷区夹杂物能谱分析位置2

图13 加工齿轮夹杂物能谱分析位置

对加工齿轮缺陷区及附近完好区分别在抛光态和腐蚀态下进行扫描电镜能谱分析，结果如图14～图15所示，缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好区高。

图14 加工齿轮缺陷区（抛光态）能谱分析

图15 加工齿轮正常区（抛光态）能谱分析位置

4.齿轮及原材料金相组织观察

在齿轮缺陷区制取径向截面试样进行金相组织观察，结果如图16所示，缺陷呈缩孔（缩松）状特征，部分孔洞周边可见脱碳及沿晶界析出铁素体特征，正常区则为马氏体组织。

图16 齿轮缺陷区组织

对齿轮原材料进行低倍组织检查及能谱分析（见图17），中心缩松（缩孔）级别在1～2级，满足技术要求的≤2.5级。齿轮原材料纵向夹杂物主要是A类（硫化锰）细系、等级为 3级 的夹杂物，级别在技术要求≤3级的上限；能谱分析主要为O和Fe元素，含有一定Cr元素的夹杂物，如图18所示。

图17 原材料低倍组织、能谱分析位置

图18 原材料纵截面金相组织

分析与讨论

齿轮断口缺陷区色泽较暗（暗灰黑色），完好区色泽较亮（银灰色），缺陷区周边金相组织可见脱碳缺陷区可见颗粒状沿晶形貌，沿晶面无明显断裂特征（如棱线）、 附着较多颗粒物、局部颗粒物Mn、Cr等元素含量较高，可见自由凝固面，局部自由凝固面上有夹杂物（Al元素含量高的夹杂物和硫化锰夹杂物等）、Mn、Cr等元素含量较高，缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好区高。这表明齿轮缺陷的形成可能与元素偏析或夹杂物较多有关。

能谱分析表明，缺陷区沿晶面局部颗粒物Mn、Cr等元素含量较高、可见Mn元素为主、同时含有较高的O、Fe元素的颗粒物（应为锰铁的氧化物）及Mn、Cr元素为主、同时含有较高的O、Fe元素的颗粒物（应为锰铬铁的氧化物），缺陷部位的Mn、Cr元素含量比完好区高，局部缺陷区及完好区断口均可见较多夹杂物。这表明故障齿轮成分均匀性较差，存在夹杂物及偏析。

齿轮原材料低倍组织中可见中心疏松（常由钢锭中心部位最后凝固收缩得不到钢液补充造成缩松和在该区严重的气体和夹杂物偏析所致）。原材料夹杂物主要是A类（硫化锰）细系、等级为 3级 的夹杂物（级别在技术要求≤3级的上限），可见Cr元素含量较高的夹杂物。这表明齿轮原材料中存在疏松和偏析。

以上分析表明，齿轮缺陷与原材料中存在较重的偏析和夹杂物、缩孔（缩松）有关。

结语

1）齿轮缺陷为呈缩孔（缩松）状特征、而具有颗粒状夹杂物的孔洞，孔洞表面无明显断裂特征。

2）齿轮缺陷与原材料中存在较重的偏析和夹杂物、缩孔（缩松）有关。

3）孔洞表面颗粒状夹杂物中有锰铁的氧化物和锰铬铁的氧化物。