渗碳淬火齿轮断齿分析

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作者：张茂国

单位：陕西法士特齿轮有限责任公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

齿轮是变速箱中最重要的零件，在运转过程中，齿面承受接触应力，齿根部位承受弯曲应力。因此，齿轮的失效形式主要分为齿面疲劳引起的点蚀、剥落和齿根疲劳引起的断齿。渗碳淬火作为高速重载齿轮最常用和最成熟的工艺，能够同时提高齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度，但是由于渗碳淬火工艺较复杂，因此在热处理过程中会产生各种类型的缺陷，反而导致齿轮的早期失效。

我公司新开发的某型变速器总成在进行疲劳寿命试验时，某档位齿轮发生了断齿。设计要求该齿轮材料为8620H，渗碳后经淬火和低温回火处理，有效硬化层深0.8～1.3mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度30～45HRC。为了确定断齿原因，对其断口形貌、材质、热处理质量等进行了检测和分析。

1.理化检测分析

（1）宏观观察

失效齿轮整体形貌如图1所示，部分齿轮从齿根部位整体断裂，断齿数量超过总齿数的一半。断口宏观形貌如图2所示。从断口形貌上观察，大部分断口呈明显的疲劳断裂特征，断裂源位于齿根处，疲劳扩展区光滑，呈发射状向外扩展，面积占整个齿根面积的1/3～1/2，瞬断区断口较粗糙，呈暗灰色。除疲劳断口外，有部分齿轮断口无疲劳断裂特征，为一次性过载断裂。

图1  断齿全貌

图2 断口形貌

（2）断口微观形貌

经过取样，在扫描电镜下观察断口微观形貌。裂纹源形貌如图3所示，裂纹源位于齿根部位，从图中可以观察到，该断口裂纹源并未收敛于一点，而是呈线形，裂纹源经过反复摩擦和挤压后表面光滑，在裂纹源部位进一步放大观察到局部有黑色异常组织（见图4）；放大至1000倍，观察疲劳扩展区微观形貌如图5所示，在高倍下可以观察到疲劳辉纹，并有放射棱线；瞬断区形貌为韧窝+准解理断口（见图6），说明齿轮心部韧性较好。

图3   裂纹源

图4  裂纹源黑色组织

图5  疲劳扩展断口

 图6  瞬断区韧窝+准解理形貌

（3）齿轮材质检测

在失效齿轮上取样做化学成分分析，结果如表1所示。该齿轮化学成分符合SAEJ1268标准对8620H钢的技术要求。

表1  化学成分（质量分数）检测结果   （%）

（4）齿轮热处理质量检测

在断齿附近取未断裂齿轮检测热处理质量。表面硬度61HRC，心部硬度45HRC；表面组织为马氏体和残留奥氏体，残留奥氏体含量约为15%，心部为板条马氏体及少量的贝氏体；1/2齿高处有效硬化层深度为1.01mm。该齿轮经渗碳淬火处理，热处理各项指标均符合图样设计要求。

进一步将试样沿齿宽中部用精密切割机剖开制样后，在金相显微镜下观察切割面齿根部位的金相组织。在未腐蚀的情况下（见图7）可以看到，齿根处有严重的黑色组织呈网状分布，平均深度约为20μm，个别黑色组织深度达到30μm，有一条平直裂纹从齿根的黑色组织处形成并向内沿垂直齿根方向扩展；腐蚀后观察（见图8），裂纹两侧为正常的渗碳淬火组织；对试样的两个端面齿根处进行金相观察，并未发现裂纹。通过以上检测，认为观察到的裂纹产生于使用过程中，说明检测的齿已经产生了疲劳裂纹并扩展，在发生断裂之前试验已停止，如继续试验预计也会发生断裂；从金相组织分析，裂纹的产生与齿根部位的黑色组织有密切关系。

图7  齿根处黑色组织及裂纹（500×）未腐蚀

图8  裂纹两侧组织（50×）4%硝酸酒精溶液

2.分析和讨论

失效齿轮大部分断齿为疲劳断裂，裂纹起始于齿宽中部齿根部位。从齿根部位的金相观察和扫描电镜观察结果看，黑色组织在齿轮使用过程中成为裂纹萌生的源头，随着运转次数的增加，裂纹源扩展，最终导致齿轮断裂失效。

合金钢渗碳后，表层组织中往往出现沿晶界分布的点状、网状或带状黑色组织。该类组织产生的原因是由于渗碳介质中的氧向钢内扩散，在晶界上形成铬、锰、钛、硅等元素的氧化物，使得晶界处合金元素贫化，造成局部淬透性下降，从而出现了黑色的奥氏体分解产物（托氏体等）。国内外研究表明，黑色组织的存在，显著地降低零件表面硬度、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，严重影响零件的使用寿命，因此国内外知名的车辆制造厂家大都对黑色组织深度有明确规定，如德国奔驰、宝马公司要求该组织深度必须在3μm以下，一汽集团公司也计划将黑色组织深度从原来规定的20μm以下减少到3μm以下。

3.改进建议

经过以上检测分析可知，必须严格控制渗碳淬火零件表面金相组织中黑色组织的深度。根据其形成的原理，控制黑色组织主要从以下两个方面着手：①提高渗碳气体的纯度，减少氧的含量，如严格控制甲醇、丙酮等渗碳剂的纯度和含水量，严格控制通入空气的量。②采用更加激烈的淬火冷却方式，如采用淬火冷却性能更强的淬火介质或采用更快的淬火冷却搅拌等。