汽車空心齒輪軸臺架疲勞斷裂原因分析

金國忠， 汪開忠， 胡芳忠， 楊少朋， 楊志強， 陳世杰

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司， 安徽 馬鞍山 243000)

隨著我國“雙碳”目標的實施，綠色化、節能化和高功率化已成為未來汽車工業發展的重要方向。汽車零部件輕量化技術的發展是汽車節能減排的重要措施之一。研究表明，乘用車每減重10%，油耗可降低6%～8%[1-3]，國內汽車廠開始逐漸采用空心零件替代實心零件，以達到整體減重目的。

零部件在批量生產之前需要進行臺架疲勞試驗，以模擬零件在真實工況條件下的服役壽命。通過對臺架疲勞失效原因分析，對齒輪鋼質量提升、齒輪制造及裝配工藝提升具有重要意義[4-8]。

1 試驗材料與方法

該空心齒輪軸零件來源于某汽車變速器廠家，空心尺寸為φ20 mm。零件加工工序：入廠檢驗→剪切下料→鍛造加工→滲碳淬火→低溫回火→噴丸強化→探傷檢驗→出廠；滲碳工藝：滲碳溫度為930 ℃，滲碳時間為20 h，滲碳碳勢為1.2%。根據零件臺架疲勞驗證要求，該零件需要進行200 h臺架試驗，但是該零件經過20 h臺架疲勞試驗后在軸徑過渡弧位置出現斷裂。

斷裂齒輪軸的材料標準及實測化學成分如表1所示。可見，材料元素含量均滿足EN 10084—2008《滲碳鋼交貨技術條件》要求。采用Quanta 450掃描電鏡與Axio Imager M2m 光學顯微鏡對零件組織、奧氏體晶粒度、非金屬夾雜物進行觀察和評級。通過KB30S顯微硬度計對試樣進行顯微硬度分布分析，載荷砝碼為300 g，保荷時間為10 s。

表1 斷裂齒輪軸的化學成分(質量分數，%)

2 試驗分析

2.1 宏觀形貌

圖1和圖2為空心齒輪軸零件圖紙和斷口宏觀形貌，可見空心齒輪軸從過渡處開始斷裂，斷裂試樣在慣性作用下繼續轉動，從而導致斷口被嚴重磨損。

圖1 空心齒輪軸零件圖紙Fig.1 Part drawing of the hollow gear shaft

圖2 失效空心齒輪軸宏觀斷口形貌(a)橫截面; (b)縱截面Fig.2 Macroscopic fracture morphologies of the failed hollow gear shaft(a) cross section; (b) longitudinal section

圖3為失效件斷裂區域斷口掃描電鏡照片。由圖3可見，裂紋由邊部向心部擴展，裂紋源位置為加工刀痕和零件的過渡位置。從局部放大圖中可以看出，裂紋附近無夾雜物等缺陷，因此可以排除非金屬夾雜物導致的零件失效。

圖3 失效空心齒輪軸斷口形貌(a)宏觀; (b)局部放大圖Fig.3 Morphologies of fracture of the failed hollow gear shaft(a) macroscopic; (b) local enlargement

2.2 顯微硬度分布

圖4為滲碳層顯微硬度分布圖。由圖4可見，滲碳層表面最高硬度約為680 HV0.3(約60 HRC)，客戶技術要求為58～62 HRC，符合要求。滲碳齒輪鋼以顯微硬度以大于515 HV0.3為有效硬度，該位置距表面的距離為有效滲碳層深度。

圖4 失效空心齒輪軸滲碳層顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of carburized layer of the failed hollow gear shaft

從圖4可以看出，該齒輪軸的有效滲碳層深度約為0.9 mm，滿足客戶滲碳層深度0.8～1.2 mm要求，但是偏設計要求下限。

2.3 奧氏體晶粒度檢驗

圖5為空心齒輪軸滲層表面、1/2半徑、心部基體奧氏體晶粒形貌。按照ASTM E112-2013《平均晶粒度測定的標準試驗方法》進行評定，滲層奧氏體晶粒度為10.0級，心部奧氏體晶粒度為9.5級，未發現混晶現象，滿足EN 10084—2008要求(奧氏晶粒度≥6.0級)。

圖5 失效空心齒輪軸奧氏體晶粒度照片Fig.5 Austenitic grain size photo of the failed hollow gear shaft (a)邊部(edge); (b) R/2; (c)心部(core)

2.4 非金屬夾雜物檢驗

表2為零件的非金屬夾雜物評級要求及結果。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》中的A法(最嚴重視場法)進行非金屬夾雜物評級，均滿足EN 10084—2008要求。

表2 非金屬夾雜物級別和要求

2.5 顯微組織

圖6為空心齒輪軸正常區域滲碳層及心部組織照片。由圖6可見，滲碳層組織為高碳馬氏體及殘留奧氏體，而心部組織為淬火馬氏體和少量的殘留奧氏體。按照QC/T 262—1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》要求進行檢驗，非馬氏體組織為1.0級，未發現異常組織。

圖6 失效空心齒輪軸正常區域的形貌(a)滲碳層;(b)心部Fig.6 Morphologies of the failed hollow gear shaft normal area(a) carburized layer; (b) core

圖7為斷裂試樣缺陷區與非缺陷區掃描電鏡照片，由圖7可見，非缺陷區組織為馬氏體+殘留奧氏體混合組織，缺陷區組織為馬氏體+殘留奧氏體+碳化物混合組織，碳化物最大尺寸約為2 μm，經能譜確定為富Cr碳化物。

圖7 失效空心齒輪軸微觀組織和能譜分析(a)正常位置滲碳層表面; (b)失效位置滲碳層表面; (c)碳化物能譜Fig.7 Microstructure and energy spectrum analysis of the failed hollow gear shaft(a) carburized layer surface at normal position; (b) carburized layer surface at failure position; (c) energy spectrum of carbide

2.6 軟件仿真

圖8為根據客戶實際條件進行軟件建模和CAE仿真分析結果，零件空心尺寸為φ20 mm。由圖8 可見，零件圓弧過渡位置應力最大，約為1125.74 MPa。而此材料抗拉強度為1141～1170 MPa，屈服強度為936～1053 MPa。可見零件表面的最大應力超過材料許用應力，零件整體剛度可能會有所降低。

圖8 空心齒輪軸軟件模擬結果(a)空心齒輪軸模型;(b)表面應力分析結果Fig.8 Simulation results of the hollow gear shaft software(a) hollow gear shaft model; (b) surface stress analysis results

圖9為不同空心尺寸對最大接觸應力及零件減重的影響。通常采用多項式對空心軸應力與尺寸關系進行擬合[9]，結果如公式(1)所示。當空心尺寸約為φ17.1 mm時，零件表面最大應力為1057.6 MPa，可滿足零件安全使用要求，此時零件質量減少約8734.6 g。

圖9 空心齒輪軸表面最大應力、零件質量減少與空心尺寸關系圖Fig.9 Relationship between maximum stress on surface of the hollow gear shaft, weight reduction of part and hollow diameter

σmax=886.04+5.64d-0.01d2+0.02d3

(1)

式中：σmax表示齒輪軸最大應力；d表示空心軸空心尺寸。

3 斷裂原因分析及預防措施

對失效空心齒輪軸各項性能進行分析后可知，零件各項指標均滿足標準要求，斷口處未發現非金屬夾雜物等冶金缺陷，因此，可以排除原材料缺陷導致的失效。對空心齒輪軸有效滲碳層進行分析發現，滲碳層深度偏設計要求下限。若有效硬化層深度不足，材料次表面承受的剪切應力不足從而導致裂紋萌生，裂紋橫向擴展從而導致齒面剝落并最終導致空心齒輪軸失效斷裂。而從齒輪斷口形貌進行分析(見圖3)，裂紋起源于齒輪軸退刀槽R角根部，即應力集中區域。有研究表明，在滲碳過程中會產生尖角效應[10]并導致碳化物粗大和材料疲勞壽命降低[11-13]。文獻[10]認為尖角倒角半徑與尖角效應與距離Dm和尖角角度有關，如公式(2)所示。根據零件圖紙與實際測量結果，該零件倒角處尖角角度α為75°。當滲碳溫度為930 ℃、滲碳碳勢為1.2%時，由文獻[10]可得Dm為0.49 mm，從而計算得rm為3.16 mm。而該零件實際加工倒角rm為2 mm，因此，可以判斷該零件滲碳過程中退刀槽倒角位置存在較嚴重的“尖角效應”，從而導致尖角處碳化物粗大，如圖7所示。

(2)

式中：Dm為尖角效應影響距離；α為尖角角度；rm為倒角半徑。

綜上，該材料各項性能檢驗均滿足標準要求，為避免類似事情發生，需從以下3個方面進行改進：①增加滲碳時間，從而獲得較深的滲碳層深度；②降低空心軸尺寸或采用強韌性更高的材料代替20MnCr5鋼；③增大退刀槽處倒角半徑，避免滲碳過程中的“尖角效應”。

4 結論

1) 空心齒輪軸在過渡弧位置斷裂，零件各項材料性能指標均滿足零件設計圖紙要求，零件材料及生產制造過程正常。

2) 零件過渡弧位置圓角尺寸較小，在“尖角效應”作用下導致過渡弧位置存在碳化物粗化現象，零件過渡弧半徑應大于3.16 mm。

3) CAE軟件模擬表明，過渡弧位置應力最大，表面應力超過材料許用應力從而引起斷裂失效。

4) 空心齒輪軸表面應力隨空心尺寸的增加而增加，空心齒輪軸的最大空心尺寸應小于φ17.1 mm。