齒輪磷化是齒輪常用的一種表面處理方式。某型變速器磷化后齒輪在極限性能試驗及耐久試驗過程中發(fā)生了齒輪輪齒折斷及齒面剝落的失效現(xiàn)象。通過宏觀及微觀形貌測試，發(fā)現(xiàn)齒面有直徑50 μm以上，深度50 μm左右的凹坑;通過工廠現(xiàn)場調(diào)查及后續(xù)試驗分析，確定是齒輪流轉(zhuǎn)過程中發(fā)生銹蝕導(dǎo)致齒面凹坑，繼而在磷化過程中保留凹坑，最終導(dǎo)致齒輪試驗中失效。
齒輪傳動是新能源變速器常用的一種動力傳動方式。為了適應(yīng)新能源變速器轉(zhuǎn)速高、扭矩大及響應(yīng)快的特點，經(jīng)常在成品齒輪表面進(jìn)行多種的表面處理工藝，以達(dá)到特定的使用要求。當(dāng)前表面強化常用的表面處理工藝有機械強化技術(shù)、高能束表面強化技術(shù)、熱噴涂表面強化技術(shù)、CVD/PVD 技術(shù)及離子注入技術(shù)等。齒輪表面磷化是一種常用的工藝，雖然有著較大的環(huán)保壓力，但是其工藝成熟，處理過程成本低廉，工藝過程簡單，是目前國內(nèi)工業(yè)發(fā)展階段較優(yōu)的一種表面處理工藝。
本公司在進(jìn)行某型號變速器研發(fā)階段的試驗時，在不同的試驗中均發(fā)生了磷化后齒輪輪齒折斷的失效模式。故障齒輪屬于工廠特制同批次零件，該批次零件專為新品研發(fā)使用。該產(chǎn)品工藝成熟，在同系列的變速器已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)。因此，需要快速找到失效原因，保證新品研發(fā)的時效及質(zhì)量。
一、齒輪參數(shù)、使用工況及工藝介紹
失效齒輪為1擋主動齒輪，其材料為20MnCr5，屬于漸開線斜齒輪。具體參數(shù)如下：模數(shù) 2 mm、齒數(shù) 63、變位系數(shù) 0.4325、齒寬 20 mm，潤滑方式為飛濺潤滑。發(fā)生失效的試驗為穩(wěn)態(tài)耐久試驗，試驗工況見表1。
齒輪基本工藝流程為：毛坯→粗加工→滾齒→滲碳熱處理→精加工→磷化→包裝。采用車削、滾齒等多道工序?qū)⒄饝B(tài)的 20MnCr5 鋼制毛坯加工成熱處理前的齒輪樣件，其化學(xué)成分如表2所示。
熱處理工藝為滲碳淬火，成品齒輪熱處理技術(shù)要求為：滲層深度 0.5~0.8 mm，表面硬度為650~ 700HV1，芯部硬度為 400~500 HV1。齒輪滲碳淬火熱處理后，全齒面噴丸處理后進(jìn)行珩齒，然后發(fā)送至磷化工序供應(yīng)商處，對齒輪進(jìn)行表面磷化處理，目的是減摩擦及車輛啟停時抗輕微刮擦。
二、失效分析
失效現(xiàn)象及觀察
1擋齒輪在表1所示工況進(jìn)行測試，進(jìn)行至30% 試驗進(jìn)度時，發(fā)現(xiàn)試驗失效。失效模式為輪齒折斷，實物形貌見圖 1。輪齒折斷定義為嚴(yán)重的齒輪失效故障，影響車輛安全。
從失效齒輪輪齒折斷部位取樣，用 80~1000# SiC紙打磨材料表面，用酒精超聲清洗齒輪樣件，去除齒輪樣件表面雜質(zhì)。鑲嵌試樣后，依次用 60~ 3000#的砂紙對要觀察的截面進(jìn)行打磨，用拋光機進(jìn)行拋光，并完成表面丙酮超聲清洗。將 4% 硝酸酒精侵蝕后的試樣吹干后，使用OLYMPUS-311U型金相顯微鏡觀察截面的組織形貌。為了進(jìn)一步分析失效機理，使用掃描電子顯微鏡(日立熱場發(fā)射掃描電鏡SU5000)對試樣進(jìn)行觀察。
失效齒輪斷口分析
對失效齒輪進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)其中一個輪齒折斷的起始位置為齒根未嚙合區(qū)域(圖2)。本批次齒輪已經(jīng)在滲碳淬火后對齒輪根部進(jìn)行了噴丸處理，可以在一定程度上增強齒根彎曲強度，原始設(shè)計計算結(jié)果說明齒根彎曲強度安全系數(shù)已經(jīng)足夠，可以保證表1中工況安全進(jìn)行。同時調(diào)查其它批次產(chǎn)品使用情況，均未發(fā)現(xiàn)異常情況。
使用 SU5000 型掃描電鏡對另外一個輪齒折斷部分較少的輪齒進(jìn)行觀察。如圖 3 所示，發(fā)現(xiàn)紅圈內(nèi)為斷裂起始位置，向上及向左、向右均形成疲勞擴展區(qū)域，最后發(fā)生一定程度的瞬斷，宏觀表現(xiàn)為疲勞斷裂。
將圖 3 紅圈內(nèi)斷裂起始位置繼續(xù)放大，可以觀察到兩個凹坑(圖4)，凹坑呈現(xiàn)半圓形狀，凹坑的直徑分別為57.53 μm及53.78 μm。
進(jìn)一步觀察凹坑，可見凹坑內(nèi)壁光滑，可見晶粒間的腐蝕痕跡，推測為酸性溶液腐蝕或者氧化腐蝕造成(圖 5)。對坑口晶粒物質(zhì)進(jìn)行 EDS 能譜分析，結(jié)果如表 3 所示。從表 3 可知，Mn 元素及 P 元素的含量較高，明顯高于表 2 中本體材料中合金相應(yīng)合金元素含量，因此判斷該晶粒物質(zhì)為外來物質(zhì);結(jié)合磷化工序使用的 Mn 系磷化工藝，推斷凹坑坑口晶粒為磷化膜晶粒。由于宏觀形貌初步判斷為疲勞斷裂，因此需要在微觀進(jìn)行確認(rèn)。觀察裂紋擴展區(qū)，由 圖 6 可見明顯的微觀疲勞輝紋特征(紅色箭頭所指位置)。至此，可以判斷輪齒折斷為齒根處凹坑導(dǎo)致輪齒運行時產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生局部破壞，演化為疲勞斷裂。下一步需要確認(rèn)凹坑產(chǎn)生的原因。
三、試驗驗證
試驗介紹及準(zhǔn)備
初步分析磷化工藝，認(rèn)為凹坑有可能在磷化工藝過程產(chǎn)生及磷化前零件銹蝕缺陷引起。為此磷化前在齒輪零件上人為制造銹蝕缺陷，使用 5 wt.%鹽水腐蝕兩件齒輪，同時使用兩件完好齒輪作為對比組(見圖7)，同時進(jìn)行磷化工藝試驗。
試驗結(jié)果
完好齒輪及銹蝕齒輪磷化后輪齒局部見圖 8。從圖8可以看出，完好齒輪磷化后表面質(zhì)量良好，同時磷化過程中產(chǎn)生的凹坑不規(guī)則，符合公司內(nèi)部相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定的凹坑深度小于 50 μm;銹蝕齒輪磷化后，磷化膜無法完全覆蓋銹蝕痕跡，同時銹蝕坑形狀較規(guī)則，一般呈半圓形、水滴形及橢圓形，且深度大于50 μm。
根據(jù)試驗結(jié)果，及結(jié)合前文中對失效齒輪分析結(jié)果，可以推斷失效齒輪的凹坑形貌及大小同銹蝕后齒輪磷化后的凹坑形貌及大小相似。結(jié)合近期流轉(zhuǎn)過程中遭遇幾次臺風(fēng)氣象干擾，可以判斷本次失效的主要原因為齒輪轉(zhuǎn)運過程中發(fā)生銹蝕導(dǎo)致。
四、結(jié) 論
(1)齒輪輪齒折斷由齒根非嚙合區(qū)域起源，起源位置有凹坑，該凹坑造成了齒輪運轉(zhuǎn)時應(yīng)力集中，發(fā)生破壞。
(2)輪齒折斷失效為有源疲勞失效，在裂紋擴展區(qū)發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋。
(3)引起失效的凹坑為齒輪熱后加工發(fā)送至磷化供應(yīng)商處時，在流轉(zhuǎn)過程中齒輪銹蝕導(dǎo)致。該銹蝕凹坑同正常磷化凹坑形貌及尺寸均不同。
參考文獻(xiàn)略.