變速箱主軸斷裂原因分析

(江蘇林海動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300)

1 變速箱主軸簡介

某公司生產(chǎn)的某型號變速箱主軸，在客戶使用過程中出現(xiàn)斷裂，斷裂發(fā)生在主軸軸徑Ф30 mm和Ф25 mm的交界處，該處為兩軸肩的退刀凹槽，主軸斷裂宏觀形貌如圖1所示。變速箱主軸材料為20CrMo鋼，表面經(jīng)碳氮共滲處理，技術(shù)要求為表面硬化層深0.4～0.6 mm，表面硬度78～82 HRA，心部硬度25～40 HRC，螺紋段經(jīng)退火處理，螺紋心部硬度25～38 HRC。

圖1 主軸斷裂宏觀形貌

2 主軸斷口分析

2.1 化學(xué)成分分析

在主軸斷口附近取樣，測試主軸的化學(xué)成分，結(jié)果表明各元素含量均符合GB/T 3077-2015對20CrMo鋼成分的技術(shù)要求。

2.2 斷口宏觀分析

變速箱主軸發(fā)生斷裂部位為Ф30 mm和Ф25 mm兩軸徑交接的退刀凹槽根部。退刀凹槽為1.2 mm×Ф29.5 mm，其中Ф30 mm軸徑處安裝軸承為受載的支撐點(diǎn)，主軸工作時因懸臂梁的作用，退刀凹槽根部受到很大的旋轉(zhuǎn)、彎曲應(yīng)力，且根部還會引發(fā)很大的應(yīng)力集中，為主軸最薄弱的部位。在主軸斷口近旁有較大的彎曲變形，并有一起始于上表面的斜向裂紋。斷裂主軸的斷口宏觀特征如圖2所示，斷口邊緣與退刀凹槽根部平齊，整個斷口呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、彎曲載荷作用下的疲勞斷裂特征。疲勞裂紋源起始于主軸圓周表面，下側(cè)表面較為平坦，上側(cè)表面較粗糙，邊緣有多個臺階，表現(xiàn)為高載荷、高應(yīng)力集中下的多源疲勞斷裂[1-2]。圖3所示為該公司對主軸進(jìn)行壓彎試驗(yàn)時在同部位發(fā)生斷裂的斷口宏觀形貌，整個斷口表現(xiàn)為脆性斷裂特征。

圖2 主軸斷口宏觀特征

圖3 壓彎試驗(yàn)下主軸斷口宏觀特征

2.3 斷口微觀分析

用線切割機(jī)切取主軸斷口樣品，經(jīng)汽油清洗后再在酒精溶液中進(jìn)行超聲波清洗，然后將斷口置于日本電子JSM-7001型掃描電鏡下進(jìn)行微觀分析。

主軸斷口在掃描電鏡下的低倍形貌如圖4所示，斷口邊緣與退刀凹槽根部平齊，整個斷口可分為疲勞源區(qū)、疲勞區(qū)(A區(qū)和B區(qū))、撕裂變形區(qū)(C區(qū))和最后瞬時斷裂區(qū)(D區(qū))，顯示出在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷下的疲勞斷裂特征。疲勞裂紋源起始于主軸圓周表面，在斷口的上側(cè)表面較粗糙，邊緣有多個臺階，表現(xiàn)為表面高應(yīng)力集中下的多源疲勞斷裂。上側(cè)疲勞區(qū)(A區(qū))較粗糙，下側(cè)較為平坦，疲勞區(qū)較淺，約為表面氧化層深。在斷口上、下兩側(cè)明顯可見兩月牙型區(qū)，為異常的撕裂變形區(qū)，隱約可見沿周向的撕裂變形特征。最后瞬時斷裂位于斷口中部，面積較大，斷口更多地表現(xiàn)為雙向彎曲疲勞斷裂的特征。

圖4 主軸斷口低倍下SEM形貌

(1) 疲勞裂紋源起始于主軸退刀凹槽根部，即斷口的邊緣表面。在斷口上表面可見有眾多臺階，在退刀凹槽表面有眾多與軸向約成45°的弧狀微裂紋，表明為高扭轉(zhuǎn)載荷和高應(yīng)力集中作用下的多源疲勞斷裂。主軸斷裂源區(qū)眾多臺階及表面微裂紋如圖5所示。

圖5 主軸斷裂源區(qū)眾多臺階及表面微裂紋

(2)主軸斷口A2區(qū)表面碳氮共滲層沿晶斷裂特征如圖6所示，在斷口上表面邊緣即A1和A2區(qū)出現(xiàn)深約0.7 mm的沿晶脆性斷裂，在A3區(qū)斷口還可見開裂裂紋，如圖7所示，這是由于主軸表面經(jīng)碳氮共滲淬火硬化，高碳馬氏體組織的硬化層顯示出較大的脆性，在高扭轉(zhuǎn)載荷和表面微裂紋高應(yīng)力集中的聯(lián)合作用下，發(fā)生沿晶開裂，而在次表面的過渡層(A2-2區(qū))相對于表面碳氮共滲層脆性較低，表現(xiàn)為撕裂韌窩的韌性斷裂(見圖6(c))。在斷口下部(B區(qū))也發(fā)現(xiàn)主軸退刀槽根部表面有微裂紋和深刀痕缺陷，深約0.14 mm。疲勞區(qū)(B區(qū))較為平坦，深度較淺，大致為表面碳氮共滲層，高倍下可見疲勞輝紋微觀特征，如圖8所示。疲勞區(qū)中發(fā)生了斜向撕裂，微觀可見細(xì)小撕裂韌窩，如圖9所示。在B區(qū)軸表面出現(xiàn)眾多縱向開裂裂紋，這可能是主軸由于發(fā)生彎曲變形后，下部表面受壓應(yīng)力表面碳氮共滲層脆性大，最終因擠壓致使硬化層縱裂。

圖6 主軸斷口A2區(qū)表面碳氮共滲層沿晶斷裂特征

圖7 主軸斷口A3區(qū)表面碳氮共滲層縱裂紋

圖8 主軸斷口疲勞B區(qū)微觀特征

圖9 主軸斷口疲勞B區(qū)局部撕裂微觀特征

(3)在斷口上部的C1和C2區(qū)及下部的C3區(qū)宏觀上可見沿圓周方向撕裂變形的纖維狀痕跡，但微觀上顯示出扭轉(zhuǎn)、彎曲引起的變形撕裂，其微觀斷口為撕裂韌窩，如圖10所示。

圖10 主軸斷口C區(qū)撕裂韌窩特征

(4)斷口D區(qū)為主軸最后瞬時斷裂區(qū)，處于斷口的中心，面積較大，約占斷口面積的80%，表明主軸承受的載荷較大，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定深度，在高彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生了異常的彎曲變形塑性撕裂后，最后瞬時脆性斷裂，其斷口微觀形貌為脆性解理斷裂，如圖11所示。

圖11 主軸斷口D區(qū)脆性解理斷裂特征

2.4 金相組織分析

由圖1可見在主軸斷口近旁有明顯的彎曲變形，并有一斜向開裂裂紋，沿主軸橫向切取含該裂紋的樣品，沿與裂紋垂直方向切取含裂紋的金相樣品。金相樣經(jīng)鑲嵌保護(hù)后磨、拋制成金相拋光樣，經(jīng)用硝酸酒精溶液浸蝕后，用德國LEICA公司產(chǎn)DM2500型光鏡和日本電子公司JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡觀察分析裂紋和金相組織。

(1)主軸表面開裂裂紋從上表面向內(nèi)部擴(kuò)展的形態(tài)特征如圖12所示，裂紋先垂直擴(kuò)展至表面碳氮共滲層深，后又斜向表面擴(kuò)展，深度達(dá)1.47 mm，裂紋開口較大，裂紋尖端較尖銳，尖端兩側(cè)組織有流變痕跡。由此可推斷主軸表面可能受到較大的沖擊或大載荷作用，表面硬化層發(fā)生脆性開裂，后又受大扭轉(zhuǎn)載荷的作用斜向擴(kuò)展。

圖12 主軸表面裂紋微觀形貌

(2)在掃描光鏡下測量主軸表面碳氮共滲硬化層深約0.75 mm，金相組織為細(xì)小的馬氏體，未見有顆粒狀的碳化物，如圖13所示。主軸心部為回火索氏體+少量的未溶鐵素體，如圖14所示，金相組織尚屬正常。

圖13 主軸表面碳氮共滲層SEM形貌

圖14 主軸心部SEM形貌

3 分析及結(jié)論

(1)該變速箱主軸斷裂起源于主軸退刀凹槽根部，該部為直角過渡，表面存在深加工刀痕或微裂紋等缺陷產(chǎn)生了高應(yīng)力集中，為主軸最薄弱的部位，加之表面經(jīng)碳氮共滲硬化層脆性較大，這是導(dǎo)致主軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。

(2)主軸斷口近旁明顯可見彎曲變形，表面出現(xiàn)沿硬化層的脆性開裂，斷口上、下兩側(cè)出現(xiàn)異常的塑性撕裂區(qū)和約占80%的最后脆性斷裂區(qū)，主軸退刀凹槽處因懸壁梁的作用，本身承受很大的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷或沖擊載荷，因此更多地表現(xiàn)為雙向彎曲疲勞斷裂。

(3)主軸表面碳氮共滲層硬化層深0.75 mm，表面硬度為78～82 HRA，金相組織為細(xì)小的馬氏體，未見有顆粒狀的碳化物，心部為回火索氏體+少量的未溶鐵素體，金相組織尚屬正常，但從斷口附近發(fā)生的變形來看，主軸心部強(qiáng)度偏低，若載荷較大，主軸發(fā)生變形將導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，會附加沖擊載荷，加快主軸的斷裂。

4 建議

(1)該部位為懸臂結(jié)構(gòu)，在服役過程中該件的受力較大且為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，對材料的強(qiáng)度和淬透性指標(biāo)要求高，采用20CrMo材料容易出現(xiàn)強(qiáng)度不足現(xiàn)象，將該軸的材料改為20CrMoM或20CrMoH材料能適當(dāng)提高材料的強(qiáng)度指標(biāo)和抗過載能力。

(2)該件的臺階位置R角設(shè)計(jì)值為0.5 mm，該值偏小，容易在該位置引起應(yīng)力集中，在過載應(yīng)力作用下，易在該位置出現(xiàn)微裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展最終引發(fā)軸的斷裂，將該軸的φ30 mm與φ25 mm的R角加工為0.5～0.8 mm，可減小應(yīng)力集中。

(3)應(yīng)對該軸結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步優(yōu)化，使懸壁梁的位置(受力部位)盡量靠近軸承。