40Cr钢为低合金中碳结构钢，其主要含有Mn、Cr、Ni等合金化元素，合金化元素的主要作用是提高钢的淬透性和综合力学性能。40Cr钢的热处理制度为淬火+高温回火，故又称其为低淬透性调质钢。调质状态40Cr钢具有较高的强度、韧性等综合力学性能，被广泛用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件，这些零件广泛应用于汽车、机床、工程机械、电站设备等装置中。
某电机转动轴零件的材料为40Cr钢，根据图纸要求对零件的外形尺寸进行机械加工。对齿轮心部进行调质处理，其硬度要求为31~35HRC，齿轮表面经高频淬火后中温回火，其硬度要求为48~52HRC，对与齿轮配套的齿轮轴套进行调质处理，其硬度要求为38~42HRC。在运行测试约35h后，电机转动轴的齿轮发生了磨损现象。电机的转速为2800r/min，测试过程中电机运转不稳定，存在明显跳动现象。研究人员采用一系列理化检验方法分析了转动轴磨损的原因，并提出了改进措施，以避免该类问题再次发生。
1、理化检验
1.1 宏观观察
对磨损齿轮进行宏观观察，结果如图1所示，可以发现齿轮与齿轮轴套接触部位的齿牙大部分磨损消失，齿牙中间区域残留较多。
将齿轮和配套使用的齿轮轴套进行分割，分割后两者的宏观形貌如图2所示，可见齿轮轴套的齿牙相对完整，除个别齿牙尖角处有挤压痕迹，其他部位完好无损。
利用体视显微镜对磨损齿轮进行宏观观察，结果如图3所示，齿轮表面呈现金属氧化后的颜色，齿牙外表面大部分磨损消失。
1.2 化学成分分析
在齿轮磨损部位取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示，转动轴齿轮的化学成分满足GB/T 3077—2015 《合金结构钢 》对40Cr钢的要求。
1.3 扫描电镜(SEM)分析
将分割后的齿轮置于扫描电镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：齿轮大部分磨损消失，齿轮齿牙中间区域残留较多；残留区域表面可见挤压、摩擦形成的具有一定方向性的痕迹，表面大部分被金属粉末或氧化物覆盖，可见较多细小的颗粒，裸露出的金属表面存在细小压痕或孔洞；齿轮残留部位局部可见挤压形成的残留物。齿轮与齿轮轴套之间存在磨粒磨损的痕迹，磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或在接触面之间存在硬质粒子时产生的一种磨损。
1.4 金相检验
分别在垂直于齿轮轴向方向的正常 部位和磨损部位(中间保留较多的部位)取样，将试样进行镶嵌、磨抛、腐蚀处理，然后置于光学显微镜下观察，结果如图5所示。由图5可知：正常部位与磨损部位齿牙截面的显微组织均未见疏松、夹杂等冶金缺陷，两者显微组织无明显差别；磨损部位的齿牙已部分消失，且边缘有挤压磨削残留的余屑；磨损部位齿牙表面和心部的显微组织均为回火马氏体。
工艺设计中对转动轴齿轮心部显微组织的要求为淬火+高温回火后的回火索氏体，回火马氏体是立方马氏体与ε-碳化物的混合组织，回火索氏体为等轴状铁素体与粒状渗碳体的混合组织。与回火马氏体相比，回火索氏体具有较好的综合力学性能，即较高的强度和硬度，较好的塑性和韧性。转动轴齿轮心部组织异常，使转动轴齿轮心部硬度偏高、韧性下降，进而导致转动轴齿轮加速磨损。此外，磨损齿轮齿顶表层的晶粒尺寸较大，使齿顶表层材料的强度降低、脆性倾向增大。
1.5 硬度测试
对转动轴齿轮轴套进行硬度测试，可知其内表面硬度为46HRC，端面硬度为44HRC。
对转动轴齿轮表面进行硬度梯度测试，心部进行维氏硬度和洛氏硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：转动轴齿轮表面正常部位的维氏硬度为509~532HV，换算成洛氏硬度为50~51.3HRC；齿轮表面磨损部位的维氏硬度为434~532HV，换算成洛氏硬度为45~51.3HRC，齿轮表面磨损部位硬度偏低；转动轴心部的维氏硬度为529HV，换算成洛式硬度为51HRC，转动轴心部硬度偏高。
压入法硬度表征了金属的抗塑性变形能力及抗应变硬化能力，工艺设计中对转动轴齿轮及齿轮轴套的硬度要求为：齿轮轴套硬度为38~42HRC，齿轮表面硬度为48~52HRC，齿轮心部硬度为31~35HRC。正常情况下，应该是齿轮轴套先发生磨损，但该转动轴齿轮磨损部位齿顶表层的晶粒偏大，使齿顶表层材料的强度降低、脆性倾向增大，磨损部位齿顶距表面0.2mm处的硬度仅为45HRC，齿轮轴套内表面的硬度为46HRC。因此，齿轮轴套运行时易造成齿轮发生变形以及齿顶表层材料缺失，缺失的材料使齿轮和齿轮轴套发生磨粒磨损，且转动轴心部的硬度偏高，加速了转动轴齿轮的磨损。
2、综合分析
由上述理化检验结果可知：转动轴齿轮的化学成分满足标准要求；转动轴齿轮工作部位的齿牙大部分磨损消失，齿牙两端磨损较多,齿牙中间磨损较少；磨损部位齿牙表面有摩擦挤压痕迹，该痕迹具有一定的方向性转动轴齿轮的显微组织未见疏松、夹杂等冶金缺陷，转动轴心部的显微组织异常，磨损齿轮齿顶表层晶粒尺寸偏大；转动轴心部硬度偏高，转动轴齿轮表面磨损部位硬度偏低，齿轮轴套内表面硬度偏高。
该转动轴齿轮磨损部位齿顶表层的晶粒尺寸偏大，晶界对位错运动具有阻碍作用，且晶界两侧晶粒之间的滑移系不连续，使位错不能越过晶界继续滑移，位错在晶界处发生塞积，形成了应力集中。同一晶粒的晶界越长，应力集中程度越严重，因此较大的晶粒尺寸使齿顶表层材料的强度降低、脆性倾向增大。与该转动轴齿轮匹配的齿轮轴套硬度偏高，电机转动轴实际运行时，齿轮轴套易造成转动轴齿轮的变形与齿顶表层材料的缺失，齿顶表层缺失材料形成的磨粒会对齿轮和齿轮轴套造成磨粒磨损，从而在残留齿牙表面形成有一定方向性的摩擦挤压痕迹。此外，该电机转动轴齿轮经调质处理后，转动轴心部组织为回火马氏体，转动轴心部硬度偏高，导致转动轴齿轮的整体韧性不足，加速了转动轴齿轮齿顶表层的磨粒磨损。当齿顶表层材料磨损至一定程度后，转动轴齿轮与齿轮轴套产生较大的配合间隙，高速运转的电机将产生跳动现象。电机跳动时，转动轴齿轮齿顶表层还会受到冲击作用和扭转应力，齿轮工作部位受力不均使转动轴齿轮加速磨损，最终转动轴齿轮与齿轮轴套接触部位的齿牙大部分磨损消失，只剩齿牙中间残留区域。
3、结论与建议
转动轴齿轮磨损的原因为:齿轮与齿轮轴套的热处理工艺控制不当，使齿顶表层晶粒尺寸偏大，齿顶表层材料的强度降低、脆性倾向增大；与该转动轴齿轮匹配的齿轮轴套硬度偏高，造成转动轴齿轮发生变形以及齿顶表层材料缺失，缺失的材料形成了磨粒，产生磨粒磨损现象；转动轴心部硬度偏高，加速了齿轮的磨损过程，齿牙慢慢剥落，引起电机跳动，最终转动轴齿轮与齿轮轴套接触部位的齿牙大部分磨损消失。
建议加强对电机转动轴齿轮和齿轮轴套热处理工艺的控制，避免出现转动轴齿轮齿顶表层晶粒尺寸偏大、转动轴心部硬度偏高与齿轮轴套内表面硬度偏高等问题。
作者：刘海亮1，姚文德2，刘宇盖3，刘维丽2，孙官杰2
单位：1.海军装备部驻上海地区第六军事代表室；
2.上海航天精密机械研究所；
3.上海材料研究所有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2024年第1期
