半軸齒輪斷裂冶金分析

黃 陽，楊 剛，王 堅(jiān)，王 紅

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司材料工程應(yīng)用研究室，湖南 株洲 412000）

半軸齒輪斷裂冶金分析

黃 陽，楊 剛，王 堅(jiān)，王 紅

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司材料工程應(yīng)用研究室，湖南 株洲 412000）

某汽車差速器總成使用約8000里程后檢查發(fā)現(xiàn)其半軸齒輪輪齒發(fā)生斷裂，對失效半軸齒輪進(jìn)行宏、微觀斷口分析、化學(xué)成分、組織及硬度檢查，確定半軸齒輪斷裂性質(zhì)為沖擊過載斷裂。

半軸齒輪；滲碳；過載；斷裂

汽車直行時(shí)差速器不工作，半軸齒輪保持靜止。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，半軸齒輪帶動行星齒輪，進(jìn)而傳遞載荷。某汽車差速器總成使用約8000里程后檢查發(fā)現(xiàn)其半軸齒輪輪齒發(fā)生斷裂，半軸齒輪材料牌號為20CrMnTiH，齒輪經(jīng)滲碳處理（技術(shù)要求：滲層深度0.6～0.9mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～48HRC）。文章對半軸齒輪進(jìn)行宏觀、微觀斷口分析，并對齒輪進(jìn)行了化學(xué)成分、組織及硬度檢測，確定了齒輪的斷裂性質(zhì)及失效原因。

1　試驗(yàn)結(jié)果

1.1外觀

該汽車差速器半軸齒輪共2個，分別編為1#、2#，外觀形貌見圖1，半軸齒輪表面均呈亮金屬色。1#半軸齒輪損壞較2#嚴(yán)重，13個輪齒均已斷裂，2個輪齒斷裂位于齒底與齒面轉(zhuǎn)接R處，斷口完整，斷面局部存在擦傷，其余輪齒斷裂位置基本位于距齒底約1～2mm齒面處，斷面磨損嚴(yán)重，可見明顯金屬碾壓痕跡，內(nèi)花鍵較完整，無異常損傷。2#半軸齒輪共11個輪齒出現(xiàn)斷裂，斷裂基本位于齒面節(jié)圓至齒頂范圍內(nèi)，斷面擠壓磨損嚴(yán)重，無明顯斷口特征，2個輪齒完整，僅齒頂部位局部存在擠壓痕跡。

表1　半軸齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果（wt%）

圖1　半軸齒輪外觀形貌

圖2　1#半軸齒輪宏觀斷口形貌

1.4金相檢查

垂直于齒面取樣對半軸齒輪進(jìn)行金相檢查，結(jié)果見表2。

1.2斷口分析

1#半軸齒輪斷口經(jīng)宏觀觀察，斷面較為完整的2個輪齒的斷裂位置均起始于輪齒工作面齒面與齒底轉(zhuǎn)接R處，起始區(qū)擦傷較為嚴(yán)重，斷面呈現(xiàn)兩種顏色，起始區(qū)及最后斷裂區(qū)均呈淺灰色細(xì)瓷狀形貌，擴(kuò)展區(qū)呈深灰色成排纖維狀，見圖2。

1#半軸齒輪經(jīng)掃描電鏡觀察，斷口起始區(qū)與終斷區(qū)微觀形貌一致，為沿晶+準(zhǔn)解理形貌，擴(kuò)展區(qū)為等軸韌窩形貌，見圖3。

1.3成分分析

在斷裂的輪齒部位取樣進(jìn)行化學(xué)定量分析，結(jié)果見表1，半軸齒輪化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)條件要求。

1.5硬度檢查

對半軸齒輪表面及心部硬度、滲碳層有效硬化層深度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3、表4，半軸齒輪表面及心部硬度符合相關(guān)技術(shù)條件要求，表面滲碳層深度超過設(shè)計(jì)要求。

圖3　1#半軸齒輪微觀斷口形貌

表2　金相檢查結(jié)果

表3　表面及心部硬度檢測結(jié)果（HRC）

表4　滲碳層硬度梯度檢測結(jié)果（HV0.5）

圖4　半軸齒輪表面滲層顯微組織

圖5　半軸齒輪心部顯微組織

2　分析討論

1#半軸齒輪損壞相對嚴(yán)重，13個輪齒均已斷裂，2#半軸齒輪共11個輪齒出現(xiàn)斷裂，2個輪齒完整，僅齒頂部位局部存在擠壓痕跡。根據(jù)損壞程度判定，1#半軸齒輪最先開始斷裂。通過斷口分析，1#半軸齒輪斷裂起始輪齒工作面齒面與齒底轉(zhuǎn)接R處，起始區(qū)位于滲層內(nèi)，為淺灰色細(xì)瓷狀，微觀呈沿晶+準(zhǔn)解理特征，擴(kuò)展區(qū)呈深灰色成排纖維狀，微觀呈等軸韌窩形貌，分析認(rèn)為1#半軸齒輪斷裂性質(zhì)為沖擊過載斷裂。

齒輪工作時(shí)受到較大的沖擊過載，在很少的循環(huán)數(shù)中就發(fā)生失效的現(xiàn)象稱為沖擊過載失效。沖擊過載失效的類型較多，如沖擊過載斷齒、齒的剪切破壞、齒的鏨平及殼層壓碎等，但沖擊過載斷齒是齒輪發(fā)生沖擊過載失效中最為危險(xiǎn)及最常見的方式。沖擊過載斷齒指齒輪突然受到過載和沖擊而在少數(shù)幾個循環(huán)內(nèi)發(fā)生的斷齒破壞，它一般發(fā)生在輪齒承受最大彎曲應(yīng)力的齒根部位。通常人們也把由于材料脆性過大而引起的在少數(shù)幾個循環(huán)內(nèi)發(fā)生的斷齒破壞稱為沖擊過載斷齒。沖擊過載斷齒斷口粗糙，沒有齒根彎曲疲勞斷口顯示的疲勞弧線或疲勞條帶特征，但有時(shí)能觀察到少量由沖擊過載擴(kuò)展造成的棱線。同時(shí)由于它是受突然向前或反方向的沖擊載荷作用，棱線通常是無次序的，并且斷口可能以相當(dāng)平的途徑橫穿過對面的根部圓角，而不通過零應(yīng)力點(diǎn)。

由此可知，差速器工作過程中1#半軸齒輪承受異常沖擊載荷產(chǎn)生最先產(chǎn)生沖擊過載斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致1#、2#半軸齒輪磨損斷裂。

3　結(jié)論

綜上所述，得出的結(jié)論如下：①半軸齒輪化學(xué)成分、表面及心部硬度均符合設(shè)計(jì)要求，滲層有效硬化層深度偏深，不符合設(shè)計(jì)要求；②1#半軸齒輪斷裂性質(zhì)為沖擊過載，2#半軸齒輪為后續(xù)損壞件。

［1］航空鋼制件滲碳、碳氮共滲滲層深度測定方法［S］.HB5493-1991.

U464.233

A

1671-3818（2016）09-0007-02