主動(dòng)錐齒輪軸花鍵斷裂分析

■ 高永強(qiáng)

汽車前后橋差檢總成屬汽車的核心部件，其中的主、從動(dòng)齒輪在汽車傳動(dòng)中又起著關(guān)鍵的作用，主動(dòng)齒輪軸的斷裂屬齒輪失效的最嚴(yán)重形式。本文所述齒輪花鍵軸在行駛過程中發(fā)生了斷裂，針對(duì)此問題進(jìn)行分析。

1. 失效齒輪軸情況

該齒輪軸為已經(jīng)斷裂的SUV汽車主動(dòng)錐齒輪軸，斷口保存完好，其表面未見明顯銹蝕，以下簡稱為“齒輪軸”。據(jù)4S店反映：該錐齒輪在車行駛5萬km時(shí)發(fā)生斷裂（見圖1、圖2），其材質(zhì)為20CrMnTiH，規(guī)格為SUV越野車型；齒輪軸的主要生產(chǎn)工序：鍛造→正火→機(jī)械加工→搓花鍵→切齒→滲碳淬火→低溫回火→噴丸→螺紋退火。

2. 理化檢驗(yàn)情況

（1）斷口宏觀檢驗(yàn) 齒輪軸斷口的宏觀形貌見圖2，斷裂發(fā)生在齒輪軸花鍵與光桿連接處的過渡部位。斷口與軸向垂直，斷面較平坦，無明顯宏觀塑性變形及異常機(jī)械損傷痕跡。初步觀察判斷斷裂起源于齒輪軸花鍵表面的滲層位置。

（2）化學(xué)成分檢驗(yàn) 對(duì)該齒輪軸進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，其化學(xué)成分符合GB/T 5216—2004中20CrMnTiH優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的要求。

（3）硬度及硬化層深度檢驗(yàn) 對(duì)該失效的齒輪軸進(jìn)行硬度及硬化層深度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，均符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 齒輪軸斷裂位置

圖2 一側(cè)斷口

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）宏觀低倍組織及其表面質(zhì)量檢驗(yàn) 取齒輪軸的橫截面進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，結(jié)果如表3、圖3所示。由表3中檢驗(yàn)值可知齒輪軸的低倍組織符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)斷口附近表面進(jìn)行觀察，表面光潔，未見有明顯異常（見圖4）。對(duì)齒輪軸花鍵與軸之間的圓弧曲率半徑進(jìn)行測(cè)量，未見異常。

（5）非金屬夾雜物檢驗(yàn) 取該失效齒輪軸的斷口處的縱截面，并對(duì)該處縱截面進(jìn)行非金屬夾雜物的檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，該齒輪軸的非金屬夾雜物符合齒輪設(shè)計(jì)要求。

（6）顯微組織檢驗(yàn) 取齒輪軸花鍵非斷口處橫截面進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果：齒輪軸花鍵邊緣滲碳層組織基本為4級(jí)回火馬氏體，為正常的滲碳淬硬層組織（見圖5）；但在距齒輪軸花鍵邊緣約0.02mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有沿著晶界分布的灰色組織（未浸蝕前），浸蝕后灰色組織整體為黑色，深度約0.03mm，光學(xué)顯微鏡已經(jīng)不能分辨其細(xì)微形貌（見圖6、圖7）；在多數(shù)花鍵齒槽發(fā)現(xiàn)有裂紋（見圖8）。齒輪軸花鍵的心部（非滲層區(qū)域）組織為上貝氏體+回火馬氏體+少量鐵素體，其中回火馬氏體為強(qiáng)化心部性能的理想組織（見圖9）。

（7）斷口掃描電鏡微觀檢驗(yàn) 用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析，可見齒輪軸開裂于花鍵根部淬硬層表面，微觀形貌主要為脆性沿晶開裂（見圖10～圖12）。并分別向順時(shí)針方向以及逆時(shí)針方向疲勞擴(kuò)展，微觀形貌為脆性的沿晶+解理開裂，擴(kuò)展過程中在部分其他齒根處也不斷萌生二次裂紋源（見圖13～圖16）。

圖3 宏觀低倍組織

圖4 斷口表面形貌

表3 低倍組織的檢驗(yàn)值

表4 非金屬夾雜物檢驗(yàn)值

為進(jìn)一步判斷黑色組織的具體形態(tài)，利用掃描電鏡進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)該黑色組織不是淬火的馬氏體組織，而是上貝氏體、屈氏體等非正常淬火組織（見圖17～圖20），該組織的存在會(huì)影響齒輪軸工作過程的疲勞性能。心部微觀形貌主要以解理開裂，并伴隨有二次裂紋，在圖2花鍵下邊緣發(fā)現(xiàn)有少量塑性韌窩形貌（見圖21～圖23）。

圖5 齒輪軸邊緣滲碳層組織（500×）

圖6 齒輪軸邊緣灰色組織（500×）

圖7 齒輪軸花鍵邊緣滲層組織（500×）

圖8 齒輪軸花鍵齒槽裂紋（100×）

3. 綜合分析

綜上檢驗(yàn)結(jié)果分析，本齒輪軸斷裂部位的化學(xué)成分、低倍組織、非金屬夾雜物和帶狀組織，符合有關(guān)GB3077—1999和標(biāo)準(zhǔn)GB/T5216—2014的技術(shù)條件的要求。由于齒輪軸斷裂處滲層組織及滲層深度和表層硬度和心部硬度均符合主機(jī)廠技術(shù)規(guī)定。表明此齒輪具有較好的金相組織和較高的表面強(qiáng)度，這些均有助于提高齒輪軸的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和耐磨性，從而也說明齒輪軸的熱處理工藝（滲碳、淬火+回火）基本上是正常的。

圖9 齒輪軸心部組織（500×）

圖10 斷口整體形貌

圖11 主斷裂源放大形貌

圖12 斷裂源沿晶開裂形貌

圖13 逆時(shí)針擴(kuò)展區(qū)形貌

圖14 逆時(shí)針擴(kuò)展區(qū)沿晶開裂形貌

圖15 順時(shí)針擴(kuò)展區(qū)形貌

通過對(duì)斷口處進(jìn)行從宏觀觀察和微觀檢驗(yàn)，此齒輪軸斷裂屬于接觸疲勞失效。通過金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在軸與花鍵交接的齒根處有異常的組織缺陷，發(fā)現(xiàn)該黑色組織不是淬火+回火后的高碳馬氏體組織，而是上貝氏體、屈氏體等非正常淬火組織（見圖17～圖20），也就是說在該處有非馬氏體組織的存在，該非馬氏體層的深度達(dá)0.03mm，超出了標(biāo)準(zhǔn)GB/T8539—2000對(duì)齒輪非馬氏體層要求為≤0.02mm的要求。非馬氏體組織是由內(nèi)氧化的貧合金化元素導(dǎo)致而形成。一旦形成此類組織，其后果是降低最表面硬度（一般指≤0.05mm處的硬度）和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生細(xì)微裂紋，并向更深的地方延伸。

圖16 逆時(shí)針二次裂紋源形貌（200μm）

圖17 黑色組織高倍形貌（10μm）

圖18 非馬氏體組織形貌（1μm）

圖19 齒槽裂紋附近組織形貌（20μm）

圖20 齒槽裂紋附近組織（2μm）

圖21 擴(kuò)展區(qū)解理形貌（10μm）

圖22 擴(kuò)展區(qū)解理形貌（20μm）

圖23 韌窩形貌（10μm）

該組織的存在會(huì)影響齒輪軸工作過程的疲勞性能，降低了表層的疲勞性能，同時(shí)此處也屬于應(yīng)力集中部位，工作過程中在扭矩、沖擊等復(fù)雜交變載荷的作用下，首先在軸與花鍵交接的根部萌生裂紋并沿兩側(cè)不斷擴(kuò)展，最后心部區(qū)域在交變的扭矩、沖擊等惡劣工況作用下進(jìn)一步失穩(wěn)并快速開裂。

4. 結(jié)語

該主動(dòng)錐齒輪花鍵軸斷裂主要是由于滲層表面黑色組織（非馬氏體組織過深）缺陷，同時(shí)出現(xiàn)了上貝氏體和屈氏體組織引起的疲勞失效。

對(duì)于帶有漸開線花鍵的弧齒錐齒輪軸，由于該齒輪軸在傳遞扭矩時(shí)，主要是靠花鍵來傳遞的，所以花鍵所承受的力矩往往是最大的，同時(shí)花鍵在傳遞扭矩時(shí)既要承受扭轉(zhuǎn)力，又要承受齒輪在沖擊時(shí)的剪切力。所以在對(duì)花鍵進(jìn)行加工和熱處理時(shí)要重視花鍵齒根處的熱處理質(zhì)量，最好不要出現(xiàn)非馬氏體組織，對(duì)于氣氛爐處理的齒輪，此時(shí)要注意花鍵的冷卻不要太慢，避免出現(xiàn)非馬氏體組織，盡可能減少表面的內(nèi)氧化，非馬組織必須控制在0.02mm以內(nèi)。對(duì)重載齒輪為防止疲勞斷裂（一般從齒根非馬氏體組織萌生裂紋源而擴(kuò)展）齒根非馬盡可能控制在0.03mm以內(nèi)，越少越好，但絕不允許黑帶的存在。