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      Y15B型變速箱中間軸三、五擋齒輪斷齒失效分析

      2017-02-21 19:46:40張翔
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年36期
      關(guān)鍵詞:斷齒中間軸心部

      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)和顯微硬度測試等,對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,手動變速箱出現(xiàn)異響。在齒輪音測試臺上異響非常明顯,對其拆解后發(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)——檢測裝配。

      對發(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、硬度測試和金相組織檢驗(yàn),對斷齒失效機(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 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 硬度測試

      對該中間軸的三擋正常齒、五擋正常齒和五擋斷齒分別進(jìn)行硬度測試,測試結(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。對該中間軸的三擋斷齒、五擋斷齒分別進(jìn)行維氏硬度測試,具體檢測部位和測試結(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 金相組織評級圖及評定方法,對以上金相組織評級如表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偏低。為了探明斷齒的脫碳原因,對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偏低,導(dǎo)致齒輪的疲勞極限、抗拉強(qiáng)度相對較低,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。

      參考文獻(xiàn)

      [1]任頌贊,葉儉,陳德華.金相分析原理及技術(shù)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2013:928.

      [2]金榮植.齒輪的熱畸變、裂紋與控制方法處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:294.

      [3]李志義,馬學(xué)文,蒲玲,等.再述:滲碳淬火件表而層非馬氏體紺織形成的原因和防措施[J].汽車零部件,2011,1(S1):79-86.

      [4劉英.滲碳處理零件幾種金相組織缺陷分析和防止辦法[J].汽車齒輪,2006,4(4):34.

      [5]楊志.滲碳部件內(nèi)氧化行為及其失效分析[D].大連海事大學(xué),2012,

      4.

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