汽车零件热处理：齿轮损坏形式与特征

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：齿面在弯曲载荷的作用下，将产生疲劳损坏。牙齿因为承受较大的接触应力和摩擦力，会形成疲劳麻点或深层剥落，换挡齿轮在多次、连续冲击的作用下，出现齿端磨损或崩落等现象，常见损坏形式有七种。另外牙齿的心部硬度低，齿轮的基体强度不足，冲击载荷将使过渡区的组织产生塑性变形，出现表面金属的滑移，故渗碳层剥落。

汽车用齿轮从变速器换挡齿轮，到后桥或减速器齿轮，均在高载荷作用下工作。齿面在弯曲载荷的作用下，将产生疲劳损坏。牙齿因为承受较大的接触应力和摩擦力，会形成疲劳麻点或深层剥落，换挡齿轮在多次、连续冲击的作用下，出现齿端磨损或崩落等现象，常见损坏形式有七种。

（1)麻点剥落（或麻点磨耗) 在汽车齿轮中，它是啮合齿轮失效的主要原因，其表现形式为节线附近有小点状针孔，也有的呈小的贝壳状或椭圆状等，麻点以两种形式存在，一种出现在初期，使用一段时间后被磨光、消失；另一种是长时间的发展性麻点剥落，逐渐扩大造成大片的剥落或成凹槽（坑)。

这是接触疲劳损坏的一种主要形式，在接触应力和摩擦应力的反复作用下，齿轮的表面产生塑性变形，最终产生疲劳裂纹。存在大块网状碳化物，有非马氏体组织和托氏体存在以及齿面脱碳等因素的存在将造成齿轮的早期失效。具体剥落过程如图4-7所示。

（2)深层剥落它是表面硬化层的剥落，其原因在于齿轮的心部硬度低，而硬化层深度不足，加上个别牙齿的局部过载。图4-8所示为锥齿轮的齿面深层剥落，图中齿轮材料为15CrMnMo，表面为粗大的针状马氏体＋残留奥氏体，心部是索氏体＋大量的铁素体，经分析认为产生深层剥落的原因为错用材料以及淬火工艺不当。齿轮的心部未淬透，在渗碳过渡区形成了较大的残留拉应力，表面产生塑性变形，如图4-9所示，硬度检验表明，牙齿的表面硬度为58～59HRC，而心部只有29～30HRC，其硬度的变化曲线如图4-10所示。在剪切应力的反复作用下，产生了疲劳裂纹。

图4-7 齿面麻点剥落发展过程示意图

图4-8 锥齿轮的齿面深层剥落

图4-9 剥落层、裂纹和塑性变形的心部组织

图4-10 牙齿表面至心部的硬度变化曲线

（3)疲劳断裂齿轮牙齿的疲劳断裂是长期脉动弯曲应力作用的结果，一般发生于齿根处，此处危险截面上受到的弯曲应力最大，当其超过该处的金属弯曲疲劳强度后，在交变应力的反复作用下会形成疲劳裂纹，经过一定时间后渐渐发展和扩大，到一定的程度牙齿产生断裂，与齿轮脱离。通过对断面的分析可知断口分为两个区域即疲劳区和脆断区，前者平坦、光滑，具有疲劳源和贝纹线，疲劳源产生于齿根圆角或刀痕处，个别存在于硬化层下面的过渡区，后者呈晶粒状或纤维状。

造成齿轮疲劳断裂的原因较多，与零件热处理有关的因素如下:

①牙齿表面存在抗疲劳性能较低的组织，严重降低了齿轮的使用寿命，如过量的残留奥氏体、非马氏体组织、网状碳化物等。

②渗碳层过厚或过薄、渗碳层与心部之间过渡区的硬度变化陡峭，造成齿轮内外结合强度的降低。

③表面存在裂纹，如淬火时冷速过快或加热温度过高，将造成局部的开裂；在后续的磨削加工过程中，磨削操作不当或热处理后未及时回火等，也会造成裂纹的出现。

④齿轮热处理后变形大，使齿轮牙齿接触区域的环境明显变差，造成牙齿局部过载，发生早期的疲劳断裂。

（4)脆性断裂该类失效是外加载荷突然增加或牙齿之间落进其他物体，致使牙齿所承受的弯曲应力超过了材料的强度极限而造成的牙齿断裂。其特征为:无疲劳区。呈晶粒状或纤维状；心部硬度偏高时，渗碳层中存在大量的网状碳化物，断口为凹形；硬度偏低时，齿轮强度降低，牙齿的断裂呈塑性损坏，此时断口呈凸形。该类断裂通常与硬化层过深或牙齿心部硬度过高有关。

（5)磨损与胶合相互接触的齿轮两齿面间除了存在纯滚动外，还具有相对的滑动，即要承受摩擦应力的作用，因此提高了磨损的速度，一般正常的磨损速度比较缓慢。但当硬的质点或物体进入两相互啮合的齿面之间时，将起到剧烈研磨剂的作用，造成磨粒磨损。

胶合磨损也称拉毛，其表现形式为表面粗糙不平，存在与滑动方向一致的沟槽，个别有烧伤等。其原因在于齿轮在工作过程中承受过大的接触应力和摩擦应力时，齿面将会产生金属塑性变形，或者齿面间润滑不良、润滑油极限油膜被破坏，造成金属之间裸露接触，啮合表面在高温高压下首先相互粘着，而后又被撕开，最终接触的部位出现胶合现象，齿轮失去原有的精度和尺寸，无法正常传递动力。该类磨损出现在高速齿轮中，在高速、高压下齿面相对运动，同时摩擦生热。因此除产生塑性变形外，该处的显微组织也发生变化。金相分析表明齿面接触的部位外层会有白亮带（硬度为700～800HV)，为二次淬火组织。胶合磨损撕裂裂纹与平面平行，其厚度与白亮层相等。

（6)齿端磨损换挡齿轮变速时，齿端部位之间相互撞击，造成局部的磨损。通常渗碳层中马氏体粗大或存在网状的碳化物，在齿轮彼此之间撞击载荷的作用下，硬化层崩裂，从而加速了齿端的磨损。另外牙齿的心部硬度低，齿轮的基体强度不足，冲击载荷将使过渡区的组织产生塑性变形，出现表面金属的滑移，故渗碳层剥落。如果从硬化层到心部过渡区硬度陡降，同样会造成齿端的磨损。

（7)齿顶磨损齿轮牙齿齿端的剧烈撞击将造成齿角、齿顶的崩落，尤其是在齿角、齿面存在堆积块状或网状的碳化物，或者材料的晶粒度过于粗大时，硬度低、强度明显不足等，更容易造成齿顶的快速磨损。

汽车零件热处理：齿轮损坏形式与特征

相关推荐