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弧齿锥齿轮轴是微型汽车传动机构重要零件,工件材料为20CrMnTi钢。该齿轮模锻成形,锻后正火,880-900℃,然后机加工,渗碳并淬回火处理,870℃预渗后830℃强渗,870℃扩散后降温至830℃油冷淬火,最后180-200℃回火。生产中发现,弧齿锥齿轮轴出现多起断裂失效事故,严重影响产品质量和经济效益。 经分析其缺陷产生的原因,发现采用中频感应加热电源进行淬火热处理,效果良好,避免了上述缺陷的产生。

检验发现,齿轮断裂部分多在齿轮与轴过渡圆角处,部分在齿轮轴中部断裂破坏。化学成分分析发现,工件钢材中S、P、Si、Cu等杂质元素含量过高,有的元素如S、P含量高达标准值的10倍或更多。扫描电镜断口观察发现,断口均呈沿晶断裂。断裂源区域存在大量大块Si-A1夹杂、A1-Si夹杂和Ca-Mg夹杂以及Ca-A1-Si夹杂和疏松孔洞缺陷。

分析认为,齿轮材料中S、P、Si、Cu杂质含量过高,特别是S、P含量过高,偏聚在晶界上,极易出现工件沿晶断裂,是齿轮轴早期断裂的主要原因。同时,断裂源区存在许多大块非金属夹杂物,其强度低,相当于工件表面的裂纹,在较低应力下裂纹萌生扩展并使零件产生脆性断裂,断裂源区大量非金属夹杂物存在是工件断裂的重要原因。此外,齿轮与轴过渡圆角处正是机加工后应力集中处,因而促使工件断裂在该处发生,当齿轮轴受到外力超过工件缺陷部位抗拉强度时,齿轮轴发生断裂就是自然的了。

综上分析,提出20CrMnTi弧齿锥齿轮轴断裂失效防止措施如下:

(1)严格齿轮钢材20CrMnTi钢棒质量检验指标,防止P、S、Cu、Si等杂质元素超标及夹杂物含量超标。夹杂物特别是S、P严重超标和非金属夹杂物大量存在是工件断裂的根本原因。

(2)采用中频感应加热电源进行淬火热处理,温度为800℃,水冷却。

采用改进工艺后,弧齿锥齿轮轴的断裂缺陷不见了,而且使用寿命大大提高,满足了工作的需要。更好的是此工艺适合大批量大规模生产,可以大大提高工人的生产效率。