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)動橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋和支持橋四種。驅(qū)動橋由主減速器、差速器、半軸、驅(qū)動橋殼及輪轂等組成[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比和較大的離地間隙時，需要在兩側(cè)驅(qū)動輪的近旁裝配輪邊減速器。作為汽車傳動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比相同的條件下，使變速器、傳動軸、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)動橋獲得較大的離地間隙等優(yōu)點。輪邊減速器主要是由太陽輪、行星輪、齒圈和行星輪架組成，一般其主動件太陽輪與半軸相連，被動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)動力，以滿足或修正整個傳動系統(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度和彎曲疲勞強度，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，向齒圈基體擴展，最終穿透整個齒圈，斷口具有典型的疲勞特征，多個疲勞源、疲勞擴展區(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)行擴展，且斷口起始位置存在擠壓變形。圖3為斷口擴展區(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（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（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，同時根部表面金相組織不合格，導(dǎo)致齒圈根部的彎曲疲勞強度不滿足設(shè)計要求，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)計要求，從而降低了零件彎曲疲勞強度。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。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，并通過臺架耐久試驗。

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。