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汽车齿轮表面磨损变质层研究
李学谦
(湖南大学长沙410010
摘
要：汽车齿轮失效后，齿轮齿部啮合表面形成一个白色层—磨损变质层。本文对此进行了系统研究。
主题词：齿轮失效；磨损变质层
随着我国汽车工业的飞速发展，由各种原因造成汽车齿轮早期失效率也与日俱增。为了解汽车齿轮早期失效的原因，寻找提高其使用寿命的途径，深入系统地分析失效齿轮表面组织、成分的变化将有着十分重要的意义。
本工作以130汽车齿轮为对象，应用光学金相、显微硬度、扫描电子显微镜、波谱及X射线衍射等多种试验手段，系统分析了失效齿轮啮合面及其下方一定深度处的组织、成分的变化，并分析探讨了造成这种变化的各种因素。
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测试样品的状态与取样
样品取自130汽车后驱动桥减速器从动圆锥齿轮(图1).齿轮的主要参数：模数：7.15，齿数：35，周节圆：250.25，压力角：22.5，速度比：5.833。材料为20CrMnTi，经渗碳淬火、回火等热处理工艺。
齿轮在运转400km左右后发现产生了严重磨损。为此对齿部啮合面的磨损情况进行取祥分析，取样部位如图2所示。
图1 失效齿轮实物照
图2
取样部位示意图
2
测试分析结果
2.1
金相分析
样品经制样观察发现，从齿部啮合面向内分布着三层有明显差异的金相组织(图3)。第一层(最表层)色泽明亮，组织细小，分布均匀，厚度约为15～20mm。第二层组织有明显的方向性，晶粒沿受力方向拉长，即塑性变形层，厚度约为50mm。第三层即为齿轮齿部的原始金相组织。
从齿根部未磨损部位取样分析发现：从齿表面向内分布着约400mm深的回火马氏体和残余奥氏体的淬火组织(图4)；过渡层金相组织为回火马氏体和贝氏体；心部是贝氏体和魏氏体。
2.2
显徽硬度分析
测试条件：机型LEITZ,MM6显微硬度测试仪，负荷100g，保荷lOs。
从垂直于齿部啮合面向内测五点，得到硬度值分布曲线(图5)，可看出第一层组织硬度偏低HV412，第二层HV593，第三层HV500。
图3 啮合面表层金相组织 500×
图4 齿根部表面金相组织
500×
图5
啮合面表层HV硬度分布曲线
齿根部未磨损表面的回火马氏体和残余奥氏体层显微硬度为HV724，过渡层HV464，心部HV309。
2.3 SEM及波谱分析
用扫描电子显微镜对啮合表面的金相组织进行观测，在低倍时发现齿部局部表面有显微裂纹(图6)。进高倍观察，发现表面第一层中组织细小难以分辨(图7)，第二层中能清楚地看出晶粒被拉长并沿受力方向分布(图8)。
图6 齿部表面显微裂纹
图7 第一层SEM组织形貌
图8
第二层SEM组织形貌
用波谱仪对齿部啮合表层组织进行碳浓度分布测试，测试深度约200mm,测试后曲线平缓，碳浓度分布均匀。
2.4 X射线衍射分析
在SIEMENSD500全自动X射线衍射仪上使用Cu靶，电压40kV，束流30mA，衍射束中使用石墨单色器。
样品用剥层法先后对啮合表层两层不同的金相组织结构分别进行了定性及半定量的分析测试。根据结构分析得知两层内均含有奥氏体、马氏体和Fe3C。利用奥氏体(111)/马氏体(110)的两峰相对强度比，得出第一层中残余奥氏体的相对含量为77.8/100，第二层中残余奥氏体的相对含量为14.2/100。很明显内外两层金相组织中的残余奥氏体相对含量相差约63.6/100，两层中的Fe3C的相对含量峰值显示没有明显差别。
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讨论
综合上述测试结果可以看出，齿部啮合表层的磨损变质层中的第一层和第二层的金相组织主要是由马氏体、Fe3C和残余奥氏体组成。两层之间的主要差别是形貌和组织组成物的相对含量的不同。
根据汽车齿轮高速度、高负荷的工作特点。齿轮材料的各项性能指标能否适应此特点是造成齿轮早期失效的重要原因之一。此样品由于齿部啮合面严重磨损，从齿根部未磨损部位可看出齿轮齿部热处理后的金相组织为粗针状回火马氏体和残余奥氏体，而且其深度也只有400mm左右，所以齿部的啮合表面在运转过程中交变应力的作用下首先产生疲劳裂纹(图6)。随着裂纹的扩展伴随着碎屑分离，从而加速了磨损的进程。坑凹不平的啮合面使齿部表面的润滑油膜的连续性遭到破坏，造成齿部表面温度升高。在切变应力的作用下啮合面的表层及亚表层开始发生塑性变形，晶粒沿切应力方向被拉长(图8)。进一步的摩擦变形使啮合表面的塑性变形层又发生了再结晶，即在表面形成一层贝尔比层(Beilby)，如图7所示。贝尔比层实际上还是由非常细小的晶拉构成的，它是在摩擦过程中重复发生再结晶的结果。
与此同时啮合表面温度上升到Ac3时即发生奥氏体化相变。齿轮在运转初期由于齿部温度较低，大的温度梯度加速了啮合表面的温度向齿轮内部扩散.表层形成的奥氏体即向马氏体转变。交变应力的不断作用加速了这一进程，同时也使上述相变过程不断反复进行。随着齿轮运转时间的加长，齿轮整体温度上升，奥氏体过冷度减小使奥氏体在冷却过程中在某一温度停留而使马氏体的转变迟滞，即发生奥氏体的热稳定化。随着交变应力的不断作用，使表面残余奥氏体再次发生塑性变形，形变量越大，引起的晶体缺陷越严重.使马氏体转变时原子运动发生困难，因此造成奥氏体的机械稳定化川。正是这两种原因造成磨损变质层第一层金相组织中残余奥氏体含量高于第二层。由于第一层中残余奥氏体含量高，因此硬度偏低。第二层中马氏体相对含量较高加上有加工硬化的作用，所以硬度达到HV593。第三层是原始组织的过渡层，所以硬度略高于心部硬度HV309。
4 结论
(1) 130汽车后驱动桥减速器从动圆锥齿轮，由于磨损失效，在齿部啮合表面形成了磨损变质层，它们是由形态各异、组成相相对含量不同的两层组成的。
(2)
磨损变质层中的第一层及第二层均由马氏体、残余奥氏体和Fe3C组成。
(3)
第一层金相组织中因奥氏体的热稳定和机械稳定的双重作用造成残余奥氏体偏聚使硬度下降。
(4)
第二层变质层中由十马氏体相对含量高于第一及第三层，并有加工硬化作用，所以硬度高于第一及第三层。
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