Y15B型變速箱中間軸三、五擋齒輪斷齒失效分析

張翔

摘 要：通過宏觀和微區形貌檢查、化學成分、金相組織檢驗和顯微硬度測試等，對Y15B變速箱中間軸三、五擋齒輪斷齒原因進行了分析。結果表明該齒輪可能存在鍛造裂紋，滲碳淬火后產生非馬氏體黑色條狀組織；加上有效硬化層深度相對偏低，二者導致了該中心軸齒輪發生一次性的脆性斷裂，并給出了必要的預防建議。

關鍵詞：20CrMoH；齒輪；斷裂；失效分析

1 概述

某品牌汽車在僅行駛8公里后，手動變速箱出現異響。在齒輪音測試臺上異響非常明顯，對其拆解后發現中間軸三擋齒輪、中間軸五擋齒輪分別有數個齒斷裂，見圖1和圖2，變速箱內未發現任何異物，僅有斷裂的碎齒殘留。

該中間軸齒輪材料為20CrMoH，制造工藝如下：棒材下料——中頻加熱——鐓粗——鍛造成型——沖孔——切邊——等溫正火——機加工——熱處理（滲碳淬火、低溫回火）——檢測裝配。

對發生斷齒的齒輪采用線切割取樣，檢查斷齒的表面形貌，進行化學成分、硬度測試和金相組織檢驗，對斷齒失效機理原因進行分析如下。

2 檢驗內容和結果

2.1 斷口形貌觀察

從圖3可以看出，該中間軸三擋齒輪的三個齒從齒根部連續斷裂，分析其受力較大，三擋齒輪最上方的斷口呈現呈閃晶狀金屬光澤，斷口光亮、平整，為裂紋源，中間斷齒能觀察到自上而下的放射狀撕裂棱，同時伴有暗灰色的纖維區，呈現準解理斷面，最下方的斷齒完全呈現暗灰色纖維區特征，在該斷齒的最下方可見一道撕裂棱帶，為裂紋終止區。與三擋斷齒相鄰擋（二擋）齒輪的左側可見清晰的表面劃痕損傷，但未造成二擋齒輪發生裂紋和斷齒現象，因為二次伴生裂紋。

由圖4可見，在中間軸三擋齒輪的斷裂根部，可見二個明顯的機械壓痕，應該是受到碎齒的二次擠壓所致。從圖5可知，該中間軸五擋齒輪的斷口比較平坦，呈粗顆粒狀，斷口最左側為裂紋源，其中左三分之二斷口處為擴展區，斷面較深，右三分之一斷口區斷面較淺，有一道撕裂棱帶，為裂紋終端區，屬于脆性斷口。

2.2 化學成分

在失效實物斷面上用直讀光譜儀測量齒輪的化學成分及元素含量，該中間軸齒輪20CrMoH 鋼的化學成分見表 1。

可看出該中間軸齒輪的化學成分符合 GB/T5216-2004中對 20CrMoH 鋼的規范要求，原材料化學成分均在相關技術要求之內。

2.3 硬度測試

對該中間軸的三擋正常齒、五擋正常齒和五擋斷齒分別進行硬度測試，測試結果見表2所示。

由表2可看出，該中間軸齒輪的表面硬度和心部硬度均符合相關技術要求。對該中間軸的三擋斷齒、五擋斷齒分別進行維氏硬度測試，具體檢測部位和測試結果見圖6和圖7所示。

根據 GB/T1172 -1999黑色金屬硬度及強度換算，該中間軸三擋斷齒的齒面最高維氏硬度為759HV（相當于82.6HRA），心部維氏硬度最低為 310 HV（相當于31HRC），斷口心部的平均維氏硬度在390 HV（相當于39.8HRC）左右；該中間軸五擋斷齒的齒面最高維氏硬度為819HV（相當于83.8HRA），心部維氏硬度最低為352 HV（相當于35.7HRC），斷口心部的平均維氏硬度在410 HV（相當于41.8HRC）左右。該中間軸齒輪的表面和心部的維氏硬度均符合技術要求。

2.4 金相檢驗

根據圖8c-d，中間軸三擋齒輪斷口處和裂紋兩側滲碳層明顯，首先判定為該斷口為熱處理后斷裂，滲碳層表面和裂紋內部有脫碳層。由圖8a-b可知，斷口處的組織為回火馬氏體+滲碳體+碳化物+殘余奧氏體，心部組織為回火馬氏體+鐵素體。

根據圖9c-d，中間軸五擋齒輪斷口處滲碳層明顯，首先判定為該斷口為熱處理后斷裂，該滲碳層表面局部有脫碳層。由圖9a-b可知，斷口處的組織為回火馬氏體+滲碳體+碳化物+殘余奧氏體，心部組織為回火馬氏體+鐵素體。根據GBT 13320-2007 鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法，對以上金相組織評級如表3所示。

由表3可看出，該中間軸齒輪的金相組織符合技術要求，其有效硬化層深度雖符合相關技術要求，僅比技術要求的下限值略高，有效硬化層深度相對偏低。為了探明斷齒的脫碳原因，對五擋齒輪的斷齒橫截面進行了進一步的觀察，如圖10所示。

由圖10a可知，該中間軸五擋斷齒的滲碳層表面呈龜裂狀破碎，內部存在黑色孔洞；從圖10b-c可以看出，由表層到心部有非馬氏體黑色條狀組織存在，長度約為0.2-0.5mm，該黑色條狀物兩側有小孔洞和白色脫碳層，具備過燒裂紋的特征。

3 失效結論與建議

割取的齒輪金相試樣經粗磨、精磨、拋光后未腐蝕，檢驗該工件的非金屬夾雜物，該中間軸三擋和五擋齒輪未見明顯非金屬夾雜物，其原材料的化學成分符合均在相關技術要求之內。從硬度檢測結果來分析，該中間軸齒輪的表面和心部的維氏硬度均符合技術要求。

從失效斷齒的宏觀檢查分析，中間軸三擋齒輪的三個齒從齒根部連續斷裂，分析其受力較大，三擋齒輪最上方的斷口具備脆性斷口特征，為裂紋源之一。中間軸五擋齒輪斷口最左側為裂紋源之一，屬于脆性斷口。

從金相檢測結果分析，該中間軸齒輪的金相組織符合技術要求，其有效硬化層深度雖符合相關技術要求，僅比技術要求的下限值略高，有效硬化層深度相對偏低，導致熱處理后齒輪的疲勞強度和接觸疲勞強度降低。由于中間軸三擋齒輪斷口處和裂紋兩側滲碳層明顯，滲碳層表面和裂紋內部有脫碳層，說明該斷口出現在熱處理之前。中間軸五擋斷齒的滲碳層表面呈龜裂狀破碎，局部存在黑色小孔洞和白色脫碳層，其金相組織存在非馬氏體黑色條狀組織，具備過燒裂紋的典型特征。

因為熱處理后該中心軸齒輪的有效硬化層深度相對偏低，導致齒輪的疲勞極限、抗拉強度相對較低，在一定的沖擊應力作用下，從齒輪嚙合面受力位置開始的脆性斷裂，裂紋源可能起始于鍛造裂紋，機加工后將其暴露出來，滲碳時含有少量的氧向齒輪鋼內擴散，表層下的Cr元素等被嚴重地氧化，形成氧化物，淬火后出現黑色非馬氏體組織，即非馬氏體組織，降低了齒輪的接觸疲勞強度和耐磨性。該缺陷組織直接導致了中心軸三、五擋滲碳齒輪的開裂失效。剝落的齒輪碎塊進一步擠壓失效件，加大了該中心軸齒輪失效的擴展。

建議加強鍛件生產、機加工和熱處理過程的控制與檢驗。在鍛件出廠前，可靠度要求高的齒輪毛坯應100%檢驗，一般齒輪毛坯應進行抽檢。機加工后加強齒輪探傷檢驗，齒輪表面不允許有裂紋。同時適當調整淬火溫度和淬火介質的冷卻強度等工藝參數，改善滲碳層深度，提高有效硬化層深度。

參考文獻

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