汽車變速器卡環斷裂失效分析

■ 王令，李志華

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發動機是汽車的心臟，發動機產生的動力必須經過傳動系統才能驅動車輪轉動，而傳動系統的心臟則是變速器，手動變速器便是其中一種類型。而手動變速器主要由操縱換檔機構，齒輪，殼體，同步器機構等180個左右零件組成，每臺變速器基本上用到5個左右的卡環，作為變速器的一個小緊固件，卡環主要功能是調整間隙，固定齒輪、齒轂、軸承等零件，一旦失效，相對應的其他零件就會竄動，導致整個變速器失效，汽車無法工作。

1.情況描述

本文對變速器進行總成耐久性試驗，檢測零部件使用壽命情況。試驗測試過程中，臺架發現振動超差，立即停止試驗，拆開檢測后，發現齒輪接觸異常，卡環發生斷裂。卡環材料為彈簧鋼60Si2MnA，卡環工藝：退火鋼板→下料→沖壓→淬回火→切口→雙面磨削→振動去毛刺→磷化→檢驗→包裝→發貨，卡環淬回火既能保證表面耐磨性和強度，也能保證韌性。

2.結果與討論

（1）宏觀分析 由圖1可知，發生斷裂卡環的其他位置嚴重磨損。由圖2可知，在右側裂紋源端附近存在沖壓工藝留下的撕裂坑，虛線箭頭方向為裂紋擴展方向。

（2）化學成分分析 采用能譜分析儀對卡環進行材料化學成分檢測，其檢測結果如附表所示，卡環材料化學成分均符合GB/T 1222《彈簧鋼》技術要求。

圖1 斷裂的卡環

圖2 卡環的斷口宏觀形貌

（3）硬度分析 采用維氏硬度計對斷裂失效的卡環測量其基體硬度，檢測前先用標準試塊進行校準，技術要求為540～610HV，實測576HV、588HV、569HV，說明熱處理后硬度滿足要求。

卡環的材料化學成分 （質量分數） （%）

（4）金相組織分析 對斷裂卡環的斷口進行金相取樣，經鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，應用光學顯微鏡進行顯微金相組織檢測，由圖3可知，熱處理后的金相組織為馬氏體+殘留奧氏體，符合技術要求。

圖4 卡環斷口裂紋源SEM形貌

圖3 基體組織（500×）

（5）斷口分析 采用掃描電子顯微鏡SEM（EVO18）對斷口進一步分析，圖4為卡環斷口裂紋源形貌圖，斷口存在弧形應力擴展臺階（見圖4a），此處斷口較平整，呈現放射狀條紋，放射源即為裂紋源（見圖4b），對此處采用能譜進行檢測（見圖4c），應力臺階處譜圖1部位被檢測出含有17.9%的氧，不含磷，而譜圖2部位（非應力臺階區域）含氧量為0，這表明卡環磷化后某個過程中已產生裂紋，卡環在疲勞耐久試驗過程中繼續受到軸向力的情況，裂紋進一步擴展，斷口呈現出沿晶和穿晶斷裂，如圖5所示，最終零件在斷裂源的另外一側完全斷裂開來，如圖6所示，斷口存在大量韌窩。

3.結語

卡環斷裂是由于內部存在原始裂紋，在試驗時，成為裂紋源，促使裂紋沿原始裂紋方向擴展而導致斷裂。

圖6 卡環斷口瞬斷區SEM形貌