主減速器在汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)中起到降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向的作用，其由一對或幾對減速齒輪副構(gòu)成，依靠齒數(shù)少的齒輪帶動(dòng)齒數(shù)多的齒輪實(shí)現(xiàn)減速，采用圓錐齒輪傳動(dòng)改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向，主動(dòng)錐齒輪即是此部分系統(tǒng)中重要的傳動(dòng)組成部件，其將動(dòng)力輸入，并傳遞給從動(dòng)齒輪，實(shí)現(xiàn)控制汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，調(diào)整內(nèi)外車輪線速度，從而實(shí)現(xiàn)汽車車輪平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎。
錐齒輪的加工工藝為：下料→熱鍛造→正火(預(yù)先熱處理)→粗加工→精加工→滲碳淬火→回火→精磨成型。預(yù)先熱處理可以消除奧氏體組織的不均勻分布，消除鍛造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減少裂紋出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，改善切削加工性能，為最終的淬火、回火熱處理做準(zhǔn)備 。
本文研究的汽車主減速器齒輪未到正常服役期時(shí)，發(fā)生異常斷裂，該件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求表面有效硬化層深 0.8 ～ 1.1 mm，表面硬度 58 ～ 64HRC，基體硬度 32 ～ 48HRC。對此，進(jìn)行了全面分析檢測，為后期生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。
一、分析檢測
宏觀觀察
主動(dòng)錐齒輪輪齒大部分?jǐn)嗔眩磾嗔演嘄X根部也已出現(xiàn)宏觀裂紋，觀察斷裂面，可在其中兩處斷齒上發(fā)現(xiàn)有明顯貝紋線裂紋擴(kuò)展痕跡，屬低周疲勞斷裂，圖 1 為主動(dòng)錐齒輪實(shí)物圖。
化學(xué)成分
采用直讀光譜儀測定輪齒表層化學(xué)成分，齒輪材質(zhì)為 20CrMnTiH 鋼，化學(xué)元素分析結(jié)果如表 1 所示，符合 GB / T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)》中各元素含量的要求。
硬度試驗(yàn)
在殘留齒面及基體內(nèi)部取樣，分別測定各部分洛氏硬度，試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示，基體檢測值接近設(shè)計(jì)要求下限。齒輪表面平均硬度值低于設(shè)計(jì)要求，且硬度不均，表面硬度差距數(shù)值梯度大，說明表層存在異常組織，組織的不均勻性造成了硬度的差異。
表面有效滲碳硬化層深度測定
在表層 3 點(diǎn)處位置取樣，利用顯微維氏硬度計(jì)測量獲取齒輪表面有效硬化層深度平均值，為 0.86 mm (要求 0.8 ～ 1.1 mm)，硬度界限值 550HV1。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(GB / T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》)鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和考核，測量結(jié)果超過要求最低值，符合設(shè)計(jì)要求。
金相分析
在斷齒處制取金相試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光，在金相顯微鏡下觀察非金屬夾雜物(其會(huì)破壞基體組織的連續(xù)性，改變材料力的分布形式，并在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中)，在斷裂附近及基體均未發(fā)現(xiàn)明顯非金屬夾雜物，只存在少量球狀氧化物，均在 1 級以下，如圖 2 所示。因此其不是齒輪斷裂的主要原因。
將拋光好的試樣經(jīng) 4% 硝酸酒精浸蝕，洗凈、吹干、顯微觀察，未斷裂的齒輪表面滲碳硬化層顯微組織為細(xì)針馬氏體 + 少量殘余奧氏體，如圖3 所示，其顯微組織屬正常淬火后產(chǎn)物;心部顯微組織為板條狀貝氏體 + 索氏體(圖 4)，該組織會(huì)導(dǎo)致齒輪抗彎強(qiáng)度降低。但鑒于位于心部位置，不是主要受力部位，對齒輪斷裂影響不大。
斷裂的齒輪根部表面存在網(wǎng)狀非馬氏體組織，測試其深度約為 0.04 mm(圖 5)。滲碳(碳氮共滲)在淬火后零件表面理想的組織應(yīng)該為細(xì)針狀高碳馬氏體，但因?yàn)闊崽幚砉に嚰凹庸すに嚨裙ば蛑T多不可控的因素，在齒輪表面形成了貝氏體、屈氏體(珠光體類)等一些非馬氏體的混合組織，造成了嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。非馬氏體組織深度如果超標(biāo)嚴(yán)重，在力學(xué)性能上就會(huì)出現(xiàn)零件表面硬度低的現(xiàn)象，影響硬度梯度，出現(xiàn)測試硬度不均勻的結(jié)果。
齒輪齒根部存在非馬氏體組織，國家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QC / T 262—1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》規(guī)定齒輪表面非馬氏體組織最深不得超過 0.02 mm，該齒輪表面非馬氏體深度為 0.04 mm，且呈網(wǎng)狀沿原奧氏體晶界滲透。較深的非馬氏體組織嚴(yán)重降低了齒輪表面硬度和耐磨性，以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域萌生細(xì)微裂紋，形成裂紋源，使齒輪在后期服役嚙合時(shí)因抗彎強(qiáng)度不足而斷裂。
二、檢測結(jié)果討論
該齒輪表面有較深的非馬氏體組織，且呈網(wǎng)狀沿原奧氏體晶界滲透，該組織嚴(yán)重削弱齒輪表面及晶界強(qiáng)度，降低耐磨性和齒輪疲勞壽命(在相同作用力下，裂紋源的早期萌生，或者累計(jì)的裂紋損傷程度大都會(huì)降低齒輪疲勞系數(shù)，從而降低疲勞極限壽命)，非馬氏體組織的存在首先造成齒輪表面硬度不均，使齒輪在服役過程中，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而出現(xiàn)疲勞裂紋源，多裂紋源的繼續(xù)擴(kuò)展最終導(dǎo)致齒輪斷裂，使齒輪的疲勞壽命大大縮短，這是齒輪失效斷裂的主要原因。
三、改進(jìn)措施及效果
解決非馬氏體組織產(chǎn)生的源頭有兩個(gè)主要途徑：一是選材時(shí)盡量減少會(huì)優(yōu)先選擇性氧化的元素(不同元素被優(yōu)先氧化的順序?yàn)?C > Ce > Ba > Mg > Al > Ti > Si > B >V >Nb > Mn > Cr> Cd > Fe > P > Mo > Sn > Ni > As > Cu);二是減少滲碳?xì)夥盏难趸越M分(如降低氧分壓等)，解決目前國內(nèi)齒輪問題，選擇第二種方式更易被生產(chǎn)商接受。
具體措施為：(1) 非馬氏體組織的產(chǎn)生說明熱處理爐內(nèi)有氧化氣氛，應(yīng)提升爐內(nèi)滲碳?xì)夥盏臐崈舳龋瑖?yán)格控制熱處理爐的密封性，可適當(dāng)延長熱處理爐的排氣時(shí)間，使?fàn)t內(nèi)的滲碳?xì)夥崭儍簟?2) 本次失效的齒輪表層整體硬度偏低，適當(dāng)提高表層硬度，可以提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度。保證滲碳前工件表面的清潔度，提高表層硬度及均勻度。(3)滲碳過程中由于齒根部碳勢較高，且冷卻速度較其他部位慢，故齒根部易生成非馬氏體組織，需適當(dāng)增加齒輪的淬火冷卻速度，以達(dá)到減輕或消除此缺陷的目的。
四、結(jié)語
依據(jù)改進(jìn)建議，進(jìn)行了熱處理工藝調(diào)整(包括氧化氣氛及淬火冷卻工藝)，對新一批的齒輪進(jìn)行了抽樣取點(diǎn)觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀表層非馬氏體組織。徹底消除此組織對材質(zhì)及熱處理工藝要求均很高，工藝的調(diào)整大大改善了齒輪表層的組織缺陷，從最終分析結(jié)果及改進(jìn)后的效果可以得知，本文分析方法的有效性較高，且能為齒輪的處理工藝提供一定的指導(dǎo)意義。