采用宏觀斷口形貌觀察、元素光譜成分分析法、金相顯微組織分析、非金屬夾雜物分析，表面及基體硬度試驗檢測、表面硬化層深度測定等方法，對異常失效斷裂的主動錐齒輪(控制汽車行駛過程中的轉向)進行了分析。結果表明：齒輪表層存在著較深的非馬氏體組織，該組織降低了齒輪表面硬度和耐磨性，降低了齒輪的整體疲勞極限，疲勞裂紋源起始于晶粒邊界或氧化物的應力集中區(qū)域，沿晶界方向快速擴展，最終導致齒輪表層打齒斷裂，嚴重降低了齒輪的抗彎強度。

　　主減速器在汽車的傳動系統(tǒng)中起到降低轉速，增大轉矩，同時改變轉矩旋轉方向的作用，其由一對或幾對減速齒輪副構成，依靠齒數(shù)少的齒輪帶動齒數(shù)多的齒輪實現(xiàn)減速，采用圓錐齒輪傳動改變轉矩旋轉方向，主動錐齒輪即是此部分系統(tǒng)中重要的傳動組成部件，其將動力輸入，并傳遞給從動齒輪，實現(xiàn)控制汽車轉向系統(tǒng)，調整內外車輪線速度，從而實現(xiàn)汽車車輪平穩(wěn)轉彎。

　　錐齒輪的加工工藝為：下料→熱鍛造→正火(預先熱處理)→粗加工→精加工→滲碳淬火→回火→精磨成型。預先熱處理可以消除奧氏體組織的不均勻分布，消除鍛造過程中產生的應力，減少裂紋出現(xiàn)的機會，改善切削加工性能，為最終的淬火、回火熱處理做準備 。

　　本文研究的汽車主減速器齒輪未到正常服役期時，發(fā)生異常斷裂，該件設計標準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，進行了全面分析檢測，為后期生產提供一定的理論指導。

　　一、分析檢測

　　宏觀觀察

　　主動錐齒輪輪齒大部分斷裂，未斷裂輪齒根部也已出現(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展痕跡，屬低周疲勞斷裂，圖 1 為主動錐齒輪實物圖。

　　化學成分

　　采用直讀光譜儀測定輪齒表層化學成分，齒輪材質為 20CrMnTiH 鋼，化學元素分析結果如表 1 所示，符合 GB / T 3077—2015 《合金結構鋼標準》中各元素含量的要求。

　　硬度試驗

　　在殘留齒面及基體內部取樣，分別測定各部分洛氏硬度，試驗結果如表 2 所示，基體檢測值接近設計要求下限。齒輪表面平均硬度值低于設計要求，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 點處位置取樣，利用顯微維氏硬度計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)標準(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，測量結果超過要求最低值，符合設計要求。

　　金相分析

　　在斷齒處制取金相試樣，經粗磨、精磨、拋光，在金相顯微鏡下觀察非金屬夾雜物(其會破壞基體組織的連續(xù)性，改變材料力的分布形式，并在此處產生應力集中)，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 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物;心部顯微組織為板條狀貝氏體 + 索氏體(圖 4)，該組織會導致齒輪抗彎強度降低。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該為細針狀高碳馬氏體，但因為熱處理工藝及加工工藝等工序諸多不可控的因素，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，造成了嚴重的質量缺陷。非馬氏體組織深度如果超標嚴重，在力學性能上就會出現(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果。

　　齒輪齒根部存在非馬氏體組織，國家汽車行業(yè)標準 QC / T 262—1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》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，且呈網狀沿原奧氏體晶界滲透。較深的非馬氏體組織嚴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力集中區(qū)域萌生細微裂紋，形成裂紋源，使齒輪在后期服役嚙合時因抗彎強度不足而斷裂。

　　二、檢測結果討論

　　該齒輪表面有較深的非馬氏體組織，且呈網狀沿原奧氏體晶界滲透，該組織嚴重削弱齒輪表面及晶界強度，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，或者累計的裂紋損傷程度大都會降低齒輪疲勞系數(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，易產生應力集中，而出現(xiàn)疲勞裂紋源，多裂紋源的繼續(xù)擴展最終導致齒輪斷裂，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、改進措施及效果

　　解決非馬氏體組織產生的源頭有兩個主要途徑：一是選材時盡量減少會優(yōu)先選擇性氧化的元素(不同元素被優(yōu)先氧化的順序為 C > Ce > Ba > Mg > Al > Ti > Si > B >V >Nb > Mn > Cr> Cd > Fe > P > Mo > Sn > Ni > As > Cu);二是減少滲碳氣氛的氧化性組分(如降低氧分壓等)，解決目前國內齒輪問題，選擇第二種方式更易被生產商接受。

　　具體措施為：(1) 非馬氏體組織的產生說明熱處理爐內有氧化氣氛，應提升爐內滲碳氣氛的潔凈度，嚴格控制熱處理爐的密封性，可適當延長熱處理爐的排氣時間，使爐內的滲碳氣氛更純凈。(2) 本次失效的齒輪表層整體硬度偏低，適當提高表層硬度，可以提高齒面接觸疲勞強度。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，需適當增加齒輪的淬火冷卻速度，以達到減輕或消除此缺陷的目的。

　　四、結語

　　依據(jù)改進建議，進行了熱處理工藝調整(包括氧化氣氛及淬火冷卻工藝)，對新一批的齒輪進行了抽樣取點觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯的網狀表層非馬氏體組織。徹底消除此組織對材質及熱處理工藝要求均很高，工藝的調整大大改善了齒輪表層的組織缺陷，從最終分析結果及改進后的效果可以得知，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意義。