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弧齒錐齒輪軸是微型汽車傳動機構重要零件,工件材料為20CrMnTi鋼。該齒輪模鍛成形,鍛後正火,880-900℃,然後機加工,滲碳並淬回火處理,870℃預滲後830℃強滲,870℃擴散後降溫至830℃油冷淬火,最後180-200℃回火。生產中發現,弧齒錐齒輪軸出現多起斷裂失效事故,嚴重影響產品質量和經濟效益。 經分析其缺陷產生的原因,發現采用中頻感應加熱電源進行淬火熱處理,效果良好,避免了上述缺陷的產生。

檢驗發現,齒輪斷裂部分多在齒輪與軸過渡圓角處,部分在齒輪軸中部斷裂破壞。化學成分分析發現,工件鋼材中S、P、Si、Cu等雜質元素含量過高,有的元素如S、P含量高達標準值的10倍或更多。掃描電鏡斷口觀察發現,斷口均呈沿晶斷裂。斷裂源區域存在大量大塊Si-A1夾雜、A1-Si夾雜和Ca-Mg夾雜以及Ca-A1-Si夾雜和疏鬆孔洞缺陷。

分析認為,齒輪材料中S、P、Si、Cu雜質含量過高,特別是S、P含量過高,偏聚在晶界上,極易出現工件沿晶斷裂,是齒輪軸早期斷裂的主要原因。同時,斷裂源區存在許多大塊非金屬夾雜物,其強度低,相當於工件表麵的裂紋,在較低應力下裂紋萌生擴展並使零件產生脆性斷裂,斷裂源區大量非金屬夾雜物存在是工件斷裂的重要原因。此外,齒輪與軸過渡圓角處正是機加工後應力集中處,因而促使工件斷裂在該處發生,當齒輪軸受到外力超過工件缺陷部位抗拉強度時,齒輪軸發生斷裂就是自然的了。

綜上分析,提出20CrMnTi弧齒錐齒輪軸斷裂失效防止措施如下:

(1)嚴格齒輪鋼材20CrMnTi鋼棒質量檢驗指標,防止P、S、Cu、Si等雜質元素超標及夾雜物含量超標。夾雜物特別是S、P嚴重超標和非金屬夾雜物大量存在是工件斷裂的根本原因。

(2)采用中頻感應加熱電源進行淬火熱處理,溫度為800℃,水冷卻。

采用改進工藝後,弧齒錐齒輪軸的斷裂缺陷不見了,而且使用壽命大大提高,滿足了工作的需要。更好的是此工藝適合大批量大規模生產,可以大大提高工人的生產效率。

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