動力輸出傳動齒輪失效淺析及整改措施
近期，常州東風農機集團有限公司收到大量質量信息反饋、投訴：DF 300型輪拖在用戶進行旋耕作業時，變速箱總成中的動力輸出傳動齒輪（我公司提供變速箱總成）發生崩齒的質量問題。現東風農機集團提出質量索賠要求，并責令我公司立即對DF300動力輸出傳動齒輪的生產工藝進行整改，迅速提供合格的產品，用于市場三包服務的更換，以免引起市場用戶因該齒輪質量問題造成更大的質量投訴及其他意想不到事件的發生。
1.崩齒原因初步調查與分析
接此信息反饋，公司迅速組織技術、質保、制造等部門人員就DF300動力輸出傳動齒輪崩齒的質量問題進行失效分析。
DF300動力輸出傳動齒輪：材質原來使用的是20CrMnTi，后根據東風農機集團的要求，改用力學性能更好的19CN5材質，外徑Ф131mm±0.05mm，齒數51，模數2.5，壓力角25º，表面經C-N共滲淬火處理，滲層0.8～1.2mm，有效硬化層0.5～0.75mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度32～46HRC，金相組織按QCn29018-91《汽車碳氮共滲齒輪金相檢驗》，碳氮化合物1-4，馬氏體1-5，殘留奧氏體1-5，心部鐵素體1-4。
初步檢查發現，失效齒輪的齒根部存在明顯的齒根臺階，原因是滾齒時未使用單圓弧滾刀，剃齒切削過程擠壓形成臺階，該臺階部位切削應力過分集中，導致淬火后在應力集中的臺階區形成微裂紋，最終造成客戶使用過程中發生崩齒的質量事故。
2.金相分析
在失效齒輪上選取有代表性的試樣，對齒輪原材料組織、滲層組織及齒輪心部的組織進行了檢驗，表面滲碳組織為較粗的高碳馬氏體和殘留奧氏體，馬氏體針按QCn29018-91《汽車碳氮共滲齒輪金相檢驗》標準，在4～5級之間，表面硬度59HRC；心部組織為低碳馬氏體，心部硬度45HRC。
分析認為，失效齒輪的熱處理質量雖然合格，但馬氏體針較為粗大，殘留奧氏體量較多，級別偏上差；心部硬度45HRC也偏上差。因此熱處理工藝還有待于進一步改進提高。
3.整改措施
（1）金加工
齒根現狀：齒輪齒根部無過渡圓弧，目前用雙圓弧滾刀。整改措施：
- ①采用單圓弧滾刀。
- ②對庫存滾刀和現場使用滾刀送刀具廠修磨單圓弧（以后凡訂購刀具均采用單圓弧滾刀）。
- ③剃齒時控制剃刀外徑，杜絕剃刀外徑頂到齒根。
- ④嚴格刀具入庫檢查，重點檢查滾刀齒頂圓弧和觸角尺寸。
- ⑤提高滾刀刃磨質量，減少滾刀徑向性誤差。
齒部精度現狀：加工基準與驗收基準不統一，加工以小徑定位，驗收以大徑定位；拉花鍵孔現采用復合拉刀臥拉，大小徑檢查端跳不一致偏差大。整改措施：現行加工工藝調整為粗、精車→滾齒→ 倒棱去毛→剃齒→拉花鍵孔→熱處理。相關要求：
- ①數控精車圓孔齒坯，保證孔與端面垂直≤0.03mm。技術處出粗精車圖。
- ②以圓孔定位滾齒、剃齒。
- ③滾齒后砂倒去齒端毛剌翻邊。
- ④嚴防齒輪端面即拉孔基準面碰傷。
- ⑤新購立式拉床和拉刀，確保大小徑端跳一致，符合圖樣要求。
（2）熱處理工藝改進
原工藝是采用C-N共滲處理，用科潤228快速光亮淬火油淬火（見圖1）。
圖 1
說明：
- （1）升溫時間不確定.
- （2）本工藝程序適用于20CrMnTi(或20CrMO）材料的多用爐C-N共滲熱處理工藝處理。
- （3）采用科潤228快速光亮淬火油。
整改后工藝如圖2所示。
圖 2
說明：
- （1）升溫時間不確定。
- （2）本工藝程序適用于19CN5材料的多用爐滲碳熱處理工藝處理。
- （3）采用科潤468分級淬火油。
4.整改效果
（1）金加工
齒根：齒輪齒根部有過渡圓弧，無明顯的剃齒切削臺階。齒部精度：以圓孔定位滾齒、剃齒，大小徑端跳均符合圖樣要求。
（2）熱處理工藝改進
金相檢驗結果表明：表面滲碳組織為較細的高碳馬氏體和殘留奧氏體，馬氏體針按QCn29018-91《汽車碳氮共滲齒輪金相檢驗》標準，表面硬度59HRC；組織為：馬氏體、殘留奧氏體，在3級左右，心部硬度42HRC，心部組織為低碳馬氏體。
5.結語
DF 300型輪拖變速箱總成中的動力輸出傳動齒輪發生崩齒的質量問題的根本原因是：滾齒時未使用單圓弧滾刀，剃齒切削過程擠壓形成明顯臺階，該臺階部位切削應力過分集中，導致淬火后在應力集中的臺階區形成微裂紋，最終造成客戶使用過程中發生崩齒的質量事故。
19CN5材料是引進國外的 Cr-Ni系鋼種，是傳動件中重要表面硬化用鋼。有較高的強度和韌性，較好的可切削加工性和鍛、軋熱加工性能，相對熱變形較小，但焊接性和抗蝕性較差。用于拖拉機、汽車傳動箱部分及配套件，制作高韌性、高強度、中等模數的齒輪及齒輪軸等。此材料采用C-N共滲處理時，常表現為組織粗大；如氮量略高，常會出現黑色組織，將使其接觸疲勞強度降低，易產生氫脆。由于熱變形較小，所以C-N共滲與滲碳工藝相比，滲碳工藝更適合19CN5材料的熱處理。
作者：張文泉; 單位：興化東華齒輪有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
