Y15B型變速箱中間軸三、五擋齒輪斷齒失效分析

張翔

摘 要：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)Y15B變速箱中間軸三、五擋齒輪斷齒原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該齒輪可能存在鍛造裂紋，滲碳淬火后產(chǎn)生非馬氏體黑色條狀組織；加上有效硬化層深度相對(duì)偏低，二者導(dǎo)致了該中心軸齒輪發(fā)生一次性的脆性斷裂，并給出了必要的預(yù)防建議。

關(guān)鍵詞：20CrMoH；齒輪；斷裂；失效分析

1 概述

某品牌汽車在僅行駛8公里后，手動(dòng)變速箱出現(xiàn)異響。在齒輪音測(cè)試臺(tái)上異響非常明顯，對(duì)其拆解后發(fā)現(xiàn)中間軸三擋齒輪、中間軸五擋齒輪分別有數(shù)個(gè)齒斷裂，見圖1和圖2，變速箱內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何異物，僅有斷裂的碎齒殘留。

該中間軸齒輪材料為20CrMoH，制造工藝如下：棒材下料——中頻加熱——鐓粗——鍛造成型——沖孔——切邊——等溫正火——機(jī)加工——熱處理（滲碳淬火、低溫回火）——檢測(cè)裝配。

對(duì)發(fā)生斷齒的齒輪采用線切割取樣，檢查斷齒的表面形貌，進(jìn)行化學(xué)成分、硬度測(cè)試和金相組織檢驗(yàn)，對(duì)斷齒失效機(jī)理原因進(jìn)行分析如下。

2 檢驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果

2.1 斷口形貌觀察

從圖3可以看出，該中間軸三擋齒輪的三個(gè)齒從齒根部連續(xù)斷裂，分析其受力較大，三擋齒輪最上方的斷口呈現(xiàn)呈閃晶狀金屬光澤，斷口光亮、平整，為裂紋源，中間斷齒能觀察到自上而下的放射狀撕裂棱，同時(shí)伴有暗灰色的纖維區(qū)，呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷面，最下方的斷齒完全呈現(xiàn)暗灰色纖維區(qū)特征，在該斷齒的最下方可見一道撕裂棱帶，為裂紋終止區(qū)。與三擋斷齒相鄰擋（二擋）齒輪的左側(cè)可見清晰的表面劃痕損傷，但未造成二擋齒輪發(fā)生裂紋和斷齒現(xiàn)象，因?yàn)槎伟樯鸭y。

由圖4可見，在中間軸三擋齒輪的斷裂根部，可見二個(gè)明顯的機(jī)械壓痕，應(yīng)該是受到碎齒的二次擠壓所致。從圖5可知，該中間軸五擋齒輪的斷口比較平坦，呈粗顆粒狀，斷口最左側(cè)為裂紋源，其中左三分之二斷口處為擴(kuò)展區(qū)，斷面較深，右三分之一斷口區(qū)斷面較淺，有一道撕裂棱帶，為裂紋終端區(qū)，屬于脆性斷口。

2.2 化學(xué)成分

在失效實(shí)物斷面上用直讀光譜儀測(cè)量齒輪的化學(xué)成分及元素含量，該中間軸齒輪20CrMoH 鋼的化學(xué)成分見表 1。

可看出該中間軸齒輪的化學(xué)成分符合 GB/T5216-2004中對(duì) 20CrMoH 鋼的規(guī)范要求，原材料化學(xué)成分均在相關(guān)技術(shù)要求之內(nèi)。

2.3 硬度測(cè)試

對(duì)該中間軸的三擋正常齒、五擋正常齒和五擋斷齒分別進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2所示。

由表2可看出，該中間軸齒輪的表面硬度和心部硬度均符合相關(guān)技術(shù)要求。對(duì)該中間軸的三擋斷齒、五擋斷齒分別進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，具體檢測(cè)部位和測(cè)試結(jié)果見圖6和圖7所示。

根據(jù) GB/T1172 -1999黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算，該中間軸三擋斷齒的齒面最高維氏硬度為759HV（相當(dāng)于82.6HRA），心部維氏硬度最低為 310 HV（相當(dāng)于31HRC），斷口心部的平均維氏硬度在390 HV（相當(dāng)于39.8HRC）左右；該中間軸五擋斷齒的齒面最高維氏硬度為819HV（相當(dāng)于83.8HRA），心部維氏硬度最低為352 HV（相當(dāng)于35.7HRC），斷口心部的平均維氏硬度在410 HV（相當(dāng)于41.8HRC）左右。該中間軸齒輪的表面和心部的維氏硬度均符合技術(shù)要求。

2.4 金相檢驗(yàn)

根據(jù)圖8c-d，中間軸三擋齒輪斷口處和裂紋兩側(cè)滲碳層明顯，首先判定為該斷口為熱處理后斷裂，滲碳層表面和裂紋內(nèi)部有脫碳層。由圖8a-b可知，斷口處的組織為回火馬氏體+滲碳體+碳化物+殘余奧氏體，心部組織為回火馬氏體+鐵素體。

根據(jù)圖9c-d，中間軸五擋齒輪斷口處滲碳層明顯，首先判定為該斷口為熱處理后斷裂，該滲碳層表面局部有脫碳層。由圖9a-b可知，斷口處的組織為回火馬氏體+滲碳體+碳化物+殘余奧氏體，心部組織為回火馬氏體+鐵素體。根據(jù)GBT 13320-2007 鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法，對(duì)以上金相組織評(píng)級(jí)如表3所示。

由表3可看出，該中間軸齒輪的金相組織符合技術(shù)要求，其有效硬化層深度雖符合相關(guān)技術(shù)要求，僅比技術(shù)要求的下限值略高，有效硬化層深度相對(duì)偏低。為了探明斷齒的脫碳原因，對(duì)五擋齒輪的斷齒橫截面進(jìn)行了進(jìn)一步的觀察，如圖10所示。

由圖10a可知，該中間軸五擋斷齒的滲碳層表面呈龜裂狀破碎，內(nèi)部存在黑色孔洞；從圖10b-c可以看出，由表層到心部有非馬氏體黑色條狀組織存在，長(zhǎng)度約為0.2-0.5mm，該黑色條狀物兩側(cè)有小孔洞和白色脫碳層，具備過燒裂紋的特征。

3 失效結(jié)論與建議

割取的齒輪金相試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后未腐蝕，檢驗(yàn)該工件的非金屬夾雜物，該中間軸三擋和五擋齒輪未見明顯非金屬夾雜物，其原材料的化學(xué)成分符合均在相關(guān)技術(shù)要求之內(nèi)。從硬度檢測(cè)結(jié)果來分析，該中間軸齒輪的表面和心部的維氏硬度均符合技術(shù)要求。

從失效斷齒的宏觀檢查分析，中間軸三擋齒輪的三個(gè)齒從齒根部連續(xù)斷裂，分析其受力較大，三擋齒輪最上方的斷口具備脆性斷口特征，為裂紋源之一。中間軸五擋齒輪斷口最左側(cè)為裂紋源之一，屬于脆性斷口。

從金相檢測(cè)結(jié)果分析，該中間軸齒輪的金相組織符合技術(shù)要求，其有效硬化層深度雖符合相關(guān)技術(shù)要求，僅比技術(shù)要求的下限值略高，有效硬化層深度相對(duì)偏低，導(dǎo)致熱處理后齒輪的疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度降低。由于中間軸三擋齒輪斷口處和裂紋兩側(cè)滲碳層明顯，滲碳層表面和裂紋內(nèi)部有脫碳層，說明該斷口出現(xiàn)在熱處理之前。中間軸五擋斷齒的滲碳層表面呈龜裂狀破碎，局部存在黑色小孔洞和白色脫碳層，其金相組織存在非馬氏體黑色條狀組織，具備過燒裂紋的典型特征。

因?yàn)闊崽幚砗笤撝行妮S齒輪的有效硬化層深度相對(duì)偏低，導(dǎo)致齒輪的疲勞極限、抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，在一定的沖擊應(yīng)力作用下，從齒輪嚙合面受力位置開始的脆性斷裂，裂紋源可能起始于鍛造裂紋，機(jī)加工后將其暴露出來，滲碳時(shí)含有少量的氧向齒輪鋼內(nèi)擴(kuò)散，表層下的Cr元素等被嚴(yán)重地氧化，形成氧化物，淬火后出現(xiàn)黑色非馬氏體組織，即非馬氏體組織，降低了齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性。該缺陷組織直接導(dǎo)致了中心軸三、五擋滲碳齒輪的開裂失效。剝落的齒輪碎塊進(jìn)一步擠壓失效件，加大了該中心軸齒輪失效的擴(kuò)展。

建議加強(qiáng)鍛件生產(chǎn)、機(jī)加工和熱處理過程的控制與檢驗(yàn)。在鍛件出廠前，可靠度要求高的齒輪毛坯應(yīng)100%檢驗(yàn)，一般齒輪毛坯應(yīng)進(jìn)行抽檢。機(jī)加工后加強(qiáng)齒輪探傷檢驗(yàn)，齒輪表面不允許有裂紋。同時(shí)適當(dāng)調(diào)整淬火溫度和淬火介質(zhì)的冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)，改善滲碳層深度，提高有效硬化層深度。

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