粉末冶金铁基齿轮断裂失效分析*

邹黎明，莫明珍，陈学文，谭 莹

1.广州科技贸易职业学院智能制造学院，广东 广州 511442

2.广州海关技术中心，广东 广州 510623

3.广东工程职业技术学院，广东 广州 510520

随着汽车行业的快速发展，对作为核心零部件的齿轮提出了更高的要求。粉末冶金作为一种近净成形技术，可满足齿轮轻量化、低成本、低能耗的要求，因而被广泛应用于汽车用齿轮制备[1-3]。

某品牌汽车在行驶了23300km后，在某次行驶过程中突然熄火，经检查，发动机上的曲轴链齿轮发生了损坏。该失效齿轮材质为铁基，为德国牌号SINT D11，采用粉末冶金方法制造。为找出齿轮断裂原因，预防此类现象再次发生，保护消费者的生命财产安全，文章对其进行失效分析。

1 实验与分析

采用阿基米德排水法测量样品密度；采用JXA-8100扫描电镜对失效齿轮进行断口分析；采用DMI3000M型金相显微镜观察样品的金相组织；采用Spectrote test直读光谱分析仪测量化学元素含量；采用ZHU-S型维氏显微硬度计测试齿轮的维氏硬度。

1.1 宏观分析

失效齿轮正面和侧面宏观形貌如图1所示。该齿轮沿齿台阶转角部位断裂，有超过一半的齿脱落，且呈一次性断裂特征，断口周围有明显的摩擦痕迹。

图1 失效粉末冶金齿轮宏观形貌

1.2 理化性能分析

失效齿轮的理化性能分析结果如表1所示。可见，铁基齿轮的化学成分和硬度均符合相关标准的要求，DIN 30910-4:2004为德国烧结金属材料标准，但齿轮密度相比标准要求偏低。

表1 失效粉末冶金齿轮的理化性能

1.3 断口分析

在扫描显微镜下观察齿轮断口，如图2所示。齿轮断口呈现裂纹由边缘向中心扩展的特征，如图2（a）箭头所示。在断裂源区呈现撞击凹坑，如图2（b）箭头1所示，通过凹坑周围断口组织可以观察到原始铁粉颗粒形貌，部分铁粉在烧结过程中只是形成烧结颈，原子扩散并未完成，粉末之间未形成彻底的冶金结合，如图2（b）箭头2所示。由图2（c）可见，整个断口圆滑铁粉特征占较大比例，孔洞较多，形成烧结相对较少。从图2（d）可观察到，烧结相撕裂呈现解理和韧窝特征，该断口属过载断裂[4]。

图2 失效粉末冶金齿轮断口显微镜图

断口分析显示，断口为一次过载断裂，断裂源区有撞击痕迹，整个断口呈现较多的圆滑铁基粉末颗粒轮廓，未形成冶金结合，这种颗粒间仅以物理机械啮合的方式导致齿轮零件强度较低。

1.4 金相分析

失效的曲轴链齿轮径向金相组织如图3所示。由图3（a）可见，基体中孔隙约为20%。图3（b）显示，基体的金相组织为珠光体加少量铁素体。从图3（c）可观察到齿轮台阶转角处相比中间孔隙较多。齿顶有淬硬层，图3（d）显示淬硬层组织为回火马氏体[5]。

图3 失效粉末冶金齿轮金相组织

在距齿顶0.7mm部位显微硬度值为401HV，符合图纸要求（0.2～0.8mm内硬度大于360HV）。

2 综合分析

汽车曲轴链齿轮为过载断裂，在齿轮的台阶转角部位发现了碎片撞击的痕迹，且齿轮以该撞击点为起点发生撕裂。齿轮断口以圆滑状原始铁基粉末颗粒为主，烧结相撕裂特征较少，表明该材料强度很低。由于齿轮强度低，当受到碎片撞击时，在孔隙最多、强度最低的齿轮台阶转角处易因不能抵抗外力的作用而发生断裂。

齿轮材料检测结果显示，齿轮为粉末冶金方法制备，化学成分基本符合标准要求，但密度偏低。对于粉末冶金零件，密度低对应较大的孔隙度。金相组织显示孔隙约占基体的20%，齿轮台阶转角处相比中间孔隙较多。齿轮断口显示烧结相撕裂特征较少，较多原始铁基粉末颗粒仅形成烧结颈，因而导致齿轮整体强度较低。这可能是在齿轮压制成形后，烧结过程中烧结温度较低或烧结时间较短，此时铁基粉末之间仅形成烧结颈，塑性流动和体积扩散不充分，烧结致密化未彻底导致。

3 结束语

文章采用宏观分析、断口分析、金相组织检验、理化检验等方法对齿轮断裂失效原因进行了分析。结果表明，在烧结过程中由于烧结温度较低或烧结时间短，粉末冶金铁基齿轮烧结致密化不彻底，导致齿轮密度低、孔隙度高、强度偏低，在行驶振动过程中会因不能抵抗碎片撞击而失效。文章研究为此类粉末冶金铁基齿轮的质量改进提供了依据，可有效保护消费者的生命财产安全。