汽車差速器齒圈斷齒失效分析

張 翔 游文明 孔紀(jì)蘭

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，揚(yáng)州 225012）

汽車差速器齒圈斷齒失效分析

張 翔 游文明 孔紀(jì)蘭

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，揚(yáng)州 225012）

通過宏觀和微區(qū)形貌檢查、化學(xué)成分、金相組織檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試等，對(duì)某汽車差速器齒圈斷齒原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該齒圈存在機(jī)加工劃痕，熱處理后齒圈心部強(qiáng)度偏低。相對(duì)于承載能力而言，工作應(yīng)力較大是導(dǎo)致齒圈發(fā)生快速脆性斷裂的原因，并給出了必要的預(yù)防建議。

20CrMnTiH 齒圈 斷裂 失效分析

引言

某品牌汽車在行駛200公里后，手動(dòng)變速箱出現(xiàn)異響。對(duì)其拆解后發(fā)現(xiàn)，差速器齒圈的齒面掉塊，見圖1的斷齒1和斷齒2。此汽車在市區(qū)內(nèi)正常行駛，僅跑過1次高速公路。

圖1 差速器齒圈斷裂位置

該差速器齒圈材料為20CrMnTiH。差速器齒圈的制造工藝如下：棒材下料——中頻加熱——鐓粗——鍛造成型——沖孔（或鉆孔）——切邊——等溫正火——機(jī)加工——熱處理（滲碳淬火、低溫回火）——-熱后磨齒、磨端面——裝配變速器。該齒圈設(shè)計(jì)的滲碳硬化層厚度為0.6～0.9mm，磨削后有效硬化層深0.4mm以上，齒面硬度62～65HRC，心部硬度33～48HRC。

因僅收到斷齒1，故以下僅對(duì)斷齒1進(jìn)行檢測(cè)和分析。對(duì)發(fā)生掉塊的齒圈斷齒采用線切割取樣，檢查斷齒表面的宏觀和微區(qū)形貌，進(jìn)行化學(xué)成分、硬度測(cè)試和金相組織檢驗(yàn)，分析斷齒失效的機(jī)理原因。

1 檢驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果

1.1 斷口形貌觀察

1.1.1 宏觀檢查

從圖2可以看出，斷口呈閃晶狀金屬光澤，為宏觀脆性斷口。斷口形狀規(guī)則，具有一定的方向性，邊緣整齊。與二個(gè)斷齒相鄰的嚙合面均有大面積的點(diǎn)狀剝落特征，斷齒剝落后的斷口較光滑平整，且能觀察到放射狀條紋。

1.1.2 微觀檢查

將該斷口用丙酮清洗，用掃描電鏡進(jìn)行觀察，其微區(qū)形貌如圖3所示。整個(gè)斷面無塑形變形，斷面形狀規(guī)則，具有一定的方向性，邊緣齊整，外側(cè)邊緣處有機(jī)加工痕跡，在齒輪體上呈凹窩狀。斷口處下方存在1條較長的主裂紋，斷面相對(duì)粗糙，為瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)的面積占整個(gè)斷面面積的25%；瞬斷區(qū)上方存在3～4條短裂紋，斷面相對(duì)平滑，為裂紋擴(kuò)展區(qū)，且斷面顯示存在有較淺的條狀紋路，指向最外側(cè)裂紋源。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 斷口微觀形貌100X

1.2 化學(xué)成分

在失效實(shí)物斷面上用直讀光譜儀測(cè)量材料的化學(xué)成分及元素含量，斷裂齒圈及20CrMnTiH鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 斷裂齒圈20CrMnTiH 鋼的化學(xué)成分

由表1可看出，斷裂齒圈的化學(xué)成分符合GB/T5216-2004中對(duì)20CrMnTiH鋼的規(guī)范要求。經(jīng)儀器測(cè)量，原材料化學(xué)成分符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

沿齒圈剝落面割取試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，檢驗(yàn)該工件的非金屬夾雜物、金相組織、表面硬度、心部硬度以及工件的滲碳層深度等。

1.3.1 非金屬夾雜物

割取的齒圈金相試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后未腐蝕后，檢驗(yàn)該工件的非金屬夾雜物。經(jīng)檢測(cè)，夾雜物A類1.5級(jí)，B類1級(jí)，C類0.5級(jí)，D類0.5級(jí)。因此，該齒圈非金屬夾雜物符合技術(shù)要求。

1.3.2 組織缺陷檢測(cè)

在齒圈斷口附近截取并制備橫截面低倍試樣，微觀形貌如圖4所示。參考GB/T1979-2001結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)低倍組織缺陷進(jìn)行評(píng)級(jí)。中心疏松1.5級(jí)，無明顯枝晶偏析，未見明顯錠型偏析或點(diǎn)狀偏析，也未見裂紋、殘余縮孔等其他低倍組織缺陷。

圖4 斷口處組織100X

1.3.3 金相檢測(cè)

從斷口附近取縱向試樣制成金相試樣，在顯微鏡下觀察。根據(jù)圖4，其斷口處滲碳層明顯，首先判定為該斷口為熱處理后斷裂。

根據(jù)金相法，其總滲碳層深度為0.59mm，見圖4；斷口處的組織為回火馬氏體+滲碳體+殘余奧氏體，見圖5；基體組織為回火馬氏體+塊狀鐵素體，見圖6；從未斷裂區(qū)域取齒尖試樣，制成金相試樣觀察，其組織為回火馬氏體+滲碳體+殘余奧氏體，見圖7；根據(jù)金相法，其總滲碳層深度為0.89mm，而滲碳硬化層厚度符合技術(shù)要求值（0.6～0.9mm）。

圖5 斷口處組織2500X

圖6 齒圈基體組織1000X

圖7 齒尖處組織100X

1.4 顯微硬度

對(duì)齒圈斷口、齒尖和齒圈心部處進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 齒圈顯微硬度

根據(jù)GB/T1172-1999黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算，齒圈齒尖表面平均硬度為HV775，相當(dāng)于HRC63.1，表面硬度符合要求（HRC62-65）；斷口位置平均硬度為HV715，相當(dāng)于HRC60.1；齒圈心部平均硬度為HV320，相當(dāng)于HRC32.2，略低于技術(shù)要求值（HRC33-48）。

從顯微硬度分析結(jié)果可知，齒圈齒尖硬度符合技術(shù)要求，齒圈心部硬度略低于技術(shù)要求值。事實(shí)上，從圖8和圖9均可看出，該齒圈的心部存在數(shù)量較多的塊狀鐵素體，其中一些塊狀鐵素體還存在聚集成團(tuán)的現(xiàn)象。

圖8 齒圈心部組織100X

圖9 齒圈心部的顯微硬度400X

2 結(jié)果分析

從失效斷齒的宏觀檢查分析，斷口呈閃晶狀金屬光澤，為宏觀脆性斷口。斷口外側(cè)邊緣處有機(jī)加工痕跡，極有可能是齒輪機(jī)加工過程中銑刀誤操作造成的劃痕。齒的嚙合面均有大面積的點(diǎn)狀剝落坑，大塊剝落后的斷口較光滑平整，且能觀察到放射狀條紋。從斷口的微區(qū)形貌來看，其斷面邊緣粗糙，斷面內(nèi)部呈較光滑平整形態(tài)的放射狀，而這種放射狀條紋是在疲勞裂紋擴(kuò)展到一定深度后，剝落時(shí)形成的快速斷裂區(qū)。這充分表明斷裂是從齒面向齒輪內(nèi)部擴(kuò)展，可推測(cè)該斷口是在以沖擊為主的應(yīng)力作用下，從齒輪嚙合面受力位置開始的脆性斷口，裂紋源可能起始于齒輪嚙合面的機(jī)加工刀痕。

由于該齒圈斷口表面有滲碳層，說明斷口出現(xiàn)在熱處理之前。齒圈表層組織基本正常，但心部組織為回火馬氏體+塊狀鐵素體，且存在大塊的鐵素體集聚成團(tuán)現(xiàn)象。硬度測(cè)試結(jié)果表明，齒圈的熱處理工藝基本正常，但是其心部硬度偏軟，低于技術(shù)要求值的下限，導(dǎo)致熱處理后齒圈的疲勞極限、抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低。

齒圈工作時(shí)，在齒輪嚙合面會(huì)存在較大的接觸應(yīng)力。如果手動(dòng)換擋操作不當(dāng)，發(fā)生打齒現(xiàn)象，會(huì)在齒輪嚙合面的機(jī)加工刀痕應(yīng)力集中處產(chǎn)生極大的沖擊力。加上熱處理后，該齒圈心部強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致齒圈發(fā)生一次性快速脆性斷裂。

3 建議

第一，建議加強(qiáng)機(jī)加工生產(chǎn)過程的控制與檢驗(yàn)，避免發(fā)生在齒圈表面發(fā)生機(jī)加工碰撞。齒圈的心部硬度偏軟，表明該工件的淬火溫度偏低、冷卻速度不足，進(jìn)而導(dǎo)致工件的心部硬度偏低。

第二，建議在熱處理時(shí)合理裝件，適當(dāng)提高淬火溫度和淬火液冷卻速度，以提高工件心部硬度，從而進(jìn)一步提高工件的接觸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

第三，建議用戶在使用過程中按規(guī)范操作，不得產(chǎn)生誤操作，避免打齒導(dǎo)致過大的沖擊載荷。

[1]孫智，江利，應(yīng)展鵬.失效分析-基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：95.

[2]王新社.齒輪軸失效分析[J].金屬熱處理，2007，27（9）：54-56.

[3]劉健，陳宏豫，寇志賢，李春玉.20CrMnTiH齒輪軸斷裂原因分析[J].熱加工工藝，2010，73（24）：265-267.

[4]蔡朝華，裴建華，韓政，翟正龍.20CrMnTiH齒輪軸脆斷及裂紋原因分析[J].山東冶金，2012，34（6）：45-46.

[5]王長健.ZS165-250型減速機(jī)齒輪軸斷齒原因分析[J].熱加工工藝，2015，44（4）：242-243.

Failure Analysis on Crack of Differential Ring Gear Used in Some Kind of Car Gearbox

ZHANG Xiang, YOU Wenming, KONG Jilan
(Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225012)

The failure comparative analysis were carried on differential ring gear used in some kind of car gearbox, including macro appearance inspection, SEM, chemical analysis, metallographic analysis, micro hardness testing and so on. The results show that a scratch on the machined surface, lower core hardness and higher stress are the key reasons for fast brittle fracture failure, and the prevention measures were put forward.

20CrMnTiH, ring gear, crack, failure analysis

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目（PPZY2015C234）。