齒圈斷裂失效分析

王令，李凱

徐州美馳車橋有限公司 江蘇徐州 221116

1 序言

車橋是汽車底盤行駛系的重要組成部分，通過懸架和車架相連，它的兩端安裝車輪，其功用是傳遞車架與車輪之間各方向的作用力及其力矩。根據(jù)車橋上車輪的作用不同，車橋分成轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和支持橋四種。驅(qū)動(dòng)橋由主減速器、差速器、半軸、驅(qū)動(dòng)橋殼及輪轂等組成[1]。部分匹配載重貨車、大型客車、越野汽車及其他一些大型工礦用車等具有較大的主傳動(dòng)比和較大的離地間隙時(shí)，需要在兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的近旁裝配輪邊減速器。作為汽車傳動(dòng)系中最后一級減速增扭的關(guān)鍵總成，輪邊減速器可滿足在總傳動(dòng)比相同的條件下，使變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器和半軸等部件的載荷減少，尺寸變小以及使驅(qū)動(dòng)橋獲得較大的離地間隙等優(yōu)點(diǎn)。輪邊減速器主要是由太陽輪、行星輪、齒圈和行星輪架組成，一般其主動(dòng)件太陽輪與半軸相連，被動(dòng)件行星輪架與車輪相連，齒圈與橋殼相接，采用輪邊減速器是為了提高汽車的驅(qū)動(dòng)力，以滿足或修正整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)力的匹配。

2 情況描述

某一用戶的車輛工作2100h后，發(fā)現(xiàn)車橋輪邊減速箱異響，拆解主減速箱后發(fā)現(xiàn)齒圈斷裂成3部分，其中有一斷裂小塊遺失，如圖1所示。該齒圈選用棒材鍛造而成，材料為中碳合金鋼40Cr，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》。為保證齒圈的表面接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，本文工件的熱處理工藝：正火+表面感應(yīng)淬火+低溫回火。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀分析

如圖1所示，齒圈碎裂成三塊，裂紋起始源都位于齒圈的根部，向齒圈基體擴(kuò)展，最終穿透整個(gè)齒圈，斷口具有典型的疲勞特征，多個(gè)疲勞源、疲勞擴(kuò)展區(qū)域和瞬間斷裂區(qū)，對應(yīng)圖1斷口形貌的A、B、C區(qū)域（紅色橢圓標(biāo)記處）[2]。

圖1 失效齒圈的宏觀斷口形貌

3.2 微觀分析

采用掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)一步分析，圖2為齒圈斷口裂紋源的SEM形貌，斷口存在明顯的疲勞輝紋（貝紋線），這表明裂紋源是在循環(huán)應(yīng)力下形成的，并進(jìn)行擴(kuò)展，且斷口起始位置存在擠壓變形。圖3為斷口擴(kuò)展區(qū)的形貌，同樣存在疲勞條紋和塑料變形，表明零件彎曲疲勞強(qiáng)度不滿足功能要求。

圖2 齒圈斷口裂紋源的SEM形貌圖

圖3 齒圈斷口擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌圖

3.3 原材料化學(xué)成分及顯微組織分析

本文工件所選材料為40Cr，采用光譜分析儀（SPECTRO/LAB LAVM10）對齒圈進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，先采用40Cr光譜標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行設(shè)備校核，其實(shí)測結(jié)果見表1，齒輪材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。圖4為基體鍛造后正火的金相組織，主要為珠光體+鐵素體，說明鍛件原始組織滿足要求。

圖4 齒圈基體正火金相組織

3.4 齒圈熱處理性能分析

采用洛氏硬度計(jì)（Wilson Rockwell574）測量斷裂齒圈的心部硬度、節(jié)圓和根部表面硬度，采用維氏硬度計(jì)（Wilson 402MVD）測量斷裂齒圈的有效硬化層深度，檢測前先采用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)、對斷裂齒圈的斷口進(jìn)行金相取樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡（Leica/DMI00M）進(jìn)行顯微金相組織檢測，結(jié)果見表2，節(jié)圓表面硬度和心部硬度符合技術(shù)要求，但根部表面硬度低且有效硬化層深度淺，同時(shí)根部表面金相組織不合格，導(dǎo)致齒圈根部的彎曲疲勞強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，降低了疲勞壽命。

3.5 齒圈顯微組織分析

圖5為齒圈截面金相腐蝕后的宏觀圖片，裂紋起始于根部，向基體擴(kuò)展，熱影響區(qū)可以反映出齒圈的齒部和根部都進(jìn)行了感應(yīng)加熱。

表1 齒圈材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 齒圈的性能及金相組織

圖5 齒圈截面金相腐蝕后的宏觀圖片

圖6 為齒圈節(jié)圓部位的表面金相組織，主要為細(xì)馬氏體。

圖6 齒圈節(jié)圓表面金相組織

圖7 為齒圈根部表面金相組織，存在大量的網(wǎng)狀屈氏體和網(wǎng)狀鐵素體，這與感應(yīng)淬火加熱后冷卻不足有關(guān)，直接導(dǎo)致表面硬度和有效硬化層深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而降低了零件彎曲疲勞強(qiáng)度。除淬火冷卻介質(zhì)的本身冷卻特性外，本文研究的齒圈根部空間位置相對狹小，淬火冷卻介質(zhì)噴入的量相對較少，造成淬火冷卻速度慢，在隨后的轉(zhuǎn)變過程中，生成了一部分網(wǎng)狀屈氏體和網(wǎng)狀鐵素體，導(dǎo)致根部硬度降低，金相組織不合格。

圖7 齒圈根部表面金相組織

圖8 為齒圈心部金相組織，主要為馬氏體+大量屈氏體+少量鐵素體，距表面6mm的齒圈心部已被感應(yīng)加熱和淬火，表明本文選取的常溫狀態(tài)下濃度為4%左右的淬火冷卻介質(zhì)冷卻特性足夠好，若采用冷卻特性更好的水，則存在較大的淬裂風(fēng)險(xiǎn)。因此本文從淬火冷卻介質(zhì)的壓力速度、淬火冷卻介質(zhì)的初始噴射量以及噴射角度進(jìn)行改進(jìn)，務(wù)必保證齒圈根部時(shí)刻有足夠量的淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻和帶走熱量，經(jīng)過工藝調(diào)整和驗(yàn)證后，在原有的過程參數(shù)基礎(chǔ)上，通過提高淬火冷卻介質(zhì)的噴射速度并加大流量，調(diào)整噴射角度，齒圈感應(yīng)加熱后瞬間冷卻，齒輪根部表面硬度、金相組織及有效硬化層深度全部滿足要求，并通過臺(tái)架耐久試驗(yàn)。

圖8 齒圈心部金相組織

4 結(jié)束語

1）齒圈的失效模式為疲勞斷裂，主要原因是感應(yīng)淬火冷卻不足，導(dǎo)致齒圈根部表面硬度、有效硬化層深度及表面金相組織不滿足圖樣要求，直接降低零件根部的彎曲疲勞強(qiáng)度。

2）齒圈材料的化學(xué)成分、心部硬度、基體硬度、節(jié)圓表面硬度和金相組織符合圖樣要求。