主减速器在汽车的传动系统中起到降低转速，增大转矩，同时改变转矩旋转方向的作用，其由一对或几对减速齿轮副构成，依靠齿数少的齿轮带动齿数多的齿轮实现减速，采用圆锥齿轮传动改变转矩旋转方向，主动锥齿轮即是此部分系统中重要的传动组成部件，其将动力输入，并传递给从动齿轮，实现控制汽车转向系统，调整内外车轮线速度，从而实现汽车车轮平稳转弯。
锥齿轮的加工工艺为：下料→热锻造→正火(预先热处理)→粗加工→精加工→渗碳淬火→回火→精磨成型。预先热处理可以消除奥氏体组织的不均匀分布，消除锻造过程中产生的应力，减少裂纹出现的机会，改善切削加工性能，为最终的淬火、回火热处理做准备 。
本文研究的汽车主减速器齿轮未到正常服役期时，发生异常断裂，该件设计标准要求表面有效硬化层深 0.8 ～ 1.1 mm，表面硬度 58 ～ 64HRC，基体硬度 32 ～ 48HRC。对此，进行了全面分析检测，为后期生产提供一定的理论指导。
一、分析检测
宏观观察
主动锥齿轮轮齿大部分断裂，未断裂轮齿根部也已出现宏观裂纹，观察断裂面，可在其中两处断齿上发现有明显贝纹线裂纹扩展痕迹，属低周疲劳断裂，图 1 为主动锥齿轮实物图。
化学成分
采用直读光谱仪测定轮齿表层化学成分，齿轮材质为 20CrMnTiH 钢，化学元素分析结果如表 1 所示，符合 GB / T 3077—2015 《合金结构钢标准》中各元素含量的要求。
硬度试验
在残留齿面及基体内部取样，分别测定各部分洛氏硬度，试验结果如表 2 所示，基体检测值接近设计要求下限。齿轮表面平均硬度值低于设计要求，且硬度不均，表面硬度差距数值梯度大，说明表层存在异常组织，组织的不均匀性造成了硬度的差异。
表面有效渗碳硬化层深度测定
在表层 3 点处位置取样，利用显微维氏硬度计测量获取齿轮表面有效硬化层深度平均值，为 0.86 mm (要求 0.8 ～ 1.1 mm)，硬度界限值 550HV1。依据标准(GB / T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》)钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和考核，测量结果超过要求最低值，符合设计要求。
金相分析
在断齿处制取金相试样，经粗磨、精磨、抛光，在金相显微镜下观察非金属夹杂物(其会破坏基体组织的连续性，改变材料力的分布形式，并在此处产生应力集中)，在断裂附近及基体均未发现明显非金属夹杂物，只存在少量球状氧化物，均在 1 级以下，如图 2 所示。因此其不是齿轮断裂的主要原因。
将抛光好的试样经 4% 硝酸酒精浸蚀，洗净、吹干、显微观察，未断裂的齿轮表面渗碳硬化层显微组织为细针马氏体 + 少量残余奥氏体，如图3 所示，其显微组织属正常淬火后产物;心部显微组织为板条状贝氏体 + 索氏体(图 4)，该组织会导致齿轮抗弯强度降低。但鉴于位于心部位置，不是主要受力部位，对齿轮断裂影响不大。
断裂的齿轮根部表面存在网状非马氏体组织，测试其深度约为 0.04 mm(图 5)。渗碳(碳氮共渗)在淬火后零件表面理想的组织应该为细针状高碳马氏体，但因为热处理工艺及加工工艺等工序诸多不可控的因素，在齿轮表面形成了贝氏体、屈氏体(珠光体类)等一些非马氏体的混合组织，造成了严重的质量缺陷。非马氏体组织深度如果超标严重，在力学性能上就会出现零件表面硬度低的现象，影响硬度梯度，出现测试硬度不均匀的结果。
齿轮齿根部存在非马氏体组织，国家汽车行业标准 QC / T 262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》规定齿轮表面非马氏体组织最深不得超过 0.02 mm，该齿轮表面非马氏体深度为 0.04 mm，且呈网状沿原奥氏体晶界渗透。较深的非马氏体组织严重降低了齿轮表面硬度和耐磨性，以及疲劳极限，并由晶粒边界或氧化物的应力集中区域萌生细微裂纹，形成裂纹源，使齿轮在后期服役啮合时因抗弯强度不足而断裂。
二、检测结果讨论
该齿轮表面有较深的非马氏体组织，且呈网状沿原奥氏体晶界渗透，该组织严重削弱齿轮表面及晶界强度，降低耐磨性和齿轮疲劳寿命(在相同作用力下，裂纹源的早期萌生，或者累计的裂纹损伤程度大都会降低齿轮疲劳系数，从而降低疲劳极限寿命)，非马氏体组织的存在首先造成齿轮表面硬度不均，使齿轮在服役过程中，易产生应力集中，而出现疲劳裂纹源，多裂纹源的继续扩展最终导致齿轮断裂，使齿轮的疲劳寿命大大缩短，这是齿轮失效断裂的主要原因。
三、改进措施及效果
解决非马氏体组织产生的源头有两个主要途径：一是选材时尽量减少会优先选择性氧化的元素(不同元素被优先氧化的顺序为 C > Ce > Ba > Mg > Al > Ti > Si > B >V >Nb > Mn > Cr> Cd > Fe > P > Mo > Sn > Ni > As > Cu);二是减少渗碳气氛的氧化性组分(如降低氧分压等)，解决目前国内齿轮问题，选择第二种方式更易被生产商接受。
具体措施为：(1) 非马氏体组织的产生说明热处理炉内有氧化气氛，应提升炉内渗碳气氛的洁净度，严格控制热处理炉的密封性，可适当延长热处理炉的排气时间，使炉内的渗碳气氛更纯净。(2) 本次失效的齿轮表层整体硬度偏低，适当提高表层硬度，可以提高齿面接触疲劳强度。保证渗碳前工件表面的清洁度，提高表层硬度及均匀度。(3)渗碳过程中由于齿根部碳势较高，且冷却速度较其他部位慢，故齿根部易生成非马氏体组织，需适当增加齿轮的淬火冷却速度，以达到减轻或消除此缺陷的目的。
四、结语
依据改进建议，进行了热处理工艺调整(包括氧化气氛及淬火冷却工艺)，对新一批的齿轮进行了抽样取点观察，未发现明显的网状表层非马氏体组织。彻底消除此组织对材质及热处理工艺要求均很高，工艺的调整大大改善了齿轮表层的组织缺陷，从最终分析结果及改进后的效果可以得知，本文分析方法的有效性较高，且能为齿轮的处理工艺提供一定的指导意义。