鋁合金汽車齒輪斷裂失效分析

劉 成，徐 寶

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

齒輪是汽車傳動裝置中起到改變運動方向、變速以及傳遞動力等功能的重要零件。相對于皮帶、傳動鏈等汽車其他零件，金屬齒輪傳動結構工作穩(wěn)定性較好、傳動率高，因此成為汽車的常用零件之一[1]。

鋁合金汽車齒輪在其運行過程中斷裂成為影響齒輪的主要問題，也是造成鋁合金齒輪失效的重要原因。鋁合金汽車齒輪在斷裂部位會出現(xiàn)明顯塑性變形，韌性斷裂一般表現(xiàn)為過載斷裂，主要由零件截面所承受實際應力超出材料強度極限而出現(xiàn)斷裂。

在齒輪加工過程中經(jīng)歷選材、加工、配件以及維修等多個過程，存在著眾多影響因素[2]。為探究這一問題的成因，需要根據(jù)齒輪斷裂宏觀與微觀特征，針對各影響因素，研究鋁合金汽車齒輪斷裂失效原因，有效避免斷裂事故的再次發(fā)生。

1 鋁合金汽車齒輪斷裂失效檢驗

1.1 鋁合金汽車齒輪斷裂口形貌分析

為對鋁合金汽車齒輪斷裂失效原因分析，檢驗其斷裂口。將鋁合金汽車齒輪發(fā)生斷裂后，觀察其損壞截面。在觀察中所選取樣本失效齒輪的17個齒中有4個齒接近整體脫落，另外3個齒局部損壞，且軸承部位也存在一定損壞[3]。損壞部位主要分為兩部分，一部分為兩盤軸承交界部位，主要表現(xiàn)為純剪斷韌性斷裂；另一部分位于齒輪部位，主要表現(xiàn)為局部剝落或折斷宏觀脆性斷裂。在同一齒輪中出現(xiàn)的兩種斷裂特征，對其斷裂口顯微組織、晶粒度、缺陷等條件檢測。鋁合金汽車齒輪斷裂樣本，如圖1所示。

圖1 鋁合金汽車齒輪斷裂樣本

對上述樣本觀察后，可以看出，樣本斷口表面較為平滑，且有明顯碾壓痕跡，可以分析出其斷口由于長期較高接觸應力作用下引起疲勞裂紋擴展引起[4]。

1.2 斷裂口金相檢測

對鋁合金汽車齒輪斷裂口經(jīng)打磨拋光以及腐蝕處理后，首先觀察樣本顯微組織與滲碳層顯微組織，同時檢驗其化學成分[5]。通過觀察分析結果可以看出，樣本滲透層主要為少量奧氏體與回火馬氏體，同時存在極少量白色碳化物。其滲碳層與過渡區(qū)組織分布形態(tài)正常，其心部組織為低碳板條馬氏體與游離鐵素體，在齒根部其游離鐵素體較多。采用ICP光譜儀對樣本進行化學檢測，樣本中化學成分符合《保證淬透性結構鋼》規(guī)定，其成分如表1所示。

表1 樣本齒輪化學成分

通過上述金相組織的觀察分析可知，鋁合金汽車齒輪發(fā)生斷裂失效時，組織密度有所加強，有局部應力集中的現(xiàn)象，并且部分組織改變了原有的形態(tài)。

2 鋁合金汽車齒輪斷裂失效分析結果

經(jīng)過上述實驗分析后，參照《汽車滲碳齒輪金相檢驗》可以觀察出此次實驗樣本齒輪碳化物為1級～3級、殘留奧氏體1級～3級、馬氏體1級～3級，且存在少量殘留奧氏體、分散細小碳化物以及高溫回火馬氏體。樣本中心部位組織游離鐵元素較多，在齒輪根部硬度下降較快情況符合，也是齒輪根部硬度相對較低的主要原因。而分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，鋁合金汽車齒輪斷裂原因，主要受到齒輪設計參數(shù)影響。如果齒輪模數(shù)較小，則齒根部彎曲應力增加，造成硬度不匹配，導致剝落。另一因素為齒輪材料及加工技術影響，齒輪材料中夾雜物、化學成分、組織偏析等都會破壞齒輪基體連續(xù)性，降低材料強度。齒輪材料的化學成分則會影響其淬透性，在淬火時不利于得到馬氏體，導致熱處理過程中其偏析微區(qū)產(chǎn)生應力集中，導致總體力學性能大大降低。

3 結論

鋁合金汽車齒輪工作階段容易發(fā)生斷裂失效，而影響齒輪斷裂影響因素較多。想要對其斷裂失效預防，需要對其斷裂現(xiàn)象、因素以及失效過程進行確認。本文綜合斷裂口形貌分析以及斷裂口處的金相組織變化，得到相應的斷裂因素。通常情況下，鋁合金汽車齒輪斷裂發(fā)生失效，多數(shù)屬于疲勞行斷裂，少部分由于組織內(nèi)應力以及組織結構因素造成。綜合上述分析結果，可以針對鋁合金汽車齒輪采用適當?shù)娜テ诨幚?，保證鋁合金汽車齒輪正常運作，提高汽車使用安全性。