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汽車(chē)前后橋差檢總成屬汽車(chē)的核心部件，其中的主被動(dòng)齒輪在汽車(chē)傳動(dòng)中又起著關(guān)鍵的作用，主動(dòng)齒輪軸的斷裂屬齒輪失效的最嚴(yán)重形式。本文所述齒輪花鍵軸在行駛過(guò)程中發(fā)生了斷裂，針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.失效齒輪軸情況

該齒輪軸為已經(jīng)斷裂的SUV汽車(chē)主動(dòng)錐齒輪軸，斷口保存完好，其表面未見(jiàn)明顯銹蝕，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“錐齒輪”。據(jù)4S店反映：該錐齒輪在車(chē)行駛五萬(wàn)公里時(shí)發(fā)生斷裂（見(jiàn)圖1、圖2），其材質(zhì)為20CrMnTiH，規(guī)格為SUV越野車(chē)型；錐齒輪的主要生產(chǎn)工序：鍛造→正火→機(jī)械加工→搓花鍵→切齒→滲碳淬火→低溫回火→噴丸→螺紋退火。

2.理化檢驗(yàn)情況

（1）斷口宏觀檢驗(yàn)

齒輪軸斷口的宏觀形貌見(jiàn)圖2，斷裂發(fā)生在齒輪軸花鍵與光桿連接處的過(guò)渡部位。斷口與軸向垂直，斷面較平坦，無(wú)明顯宏觀塑性變形及異常機(jī)械損傷痕跡。初步觀察判斷斷裂起源于齒輪軸花鍵表面的滲層位置。

（2）化學(xué)成分檢驗(yàn)

對(duì)該齒輪軸進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)，該齒輪軸的化學(xué)成分符合GB/T 5216—2004中20CrMnTiH優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的要求。

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（3）硬度及硬化層深度檢驗(yàn)

對(duì)該失效的齒輪軸進(jìn)行硬度及硬化層深度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示?？芍擙X輪軸表面有效硬化層深度、表面硬度以及心部硬度均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 硬度檢驗(yàn)值

（4）宏觀低倍組織及其表面質(zhì)量檢驗(yàn)

取齒輪軸的橫截面進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，結(jié)果如表3、圖3所示。由表3中檢驗(yàn)值可知齒輪軸的低倍組織符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)斷口附近表面進(jìn)行觀察，表面光潔，未見(jiàn)有明顯異常（見(jiàn)圖4）。對(duì)齒輪軸花鍵與軸之間的圓弧曲率半徑進(jìn)行測(cè)量，未見(jiàn)異常。

表3 低倍組織的檢驗(yàn)值

（5）非金屬夾雜物檢驗(yàn)

取該失效齒輪軸的斷口處的縱截面，并對(duì)該處縱截面的進(jìn)行非金屬夾雜物的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4的檢驗(yàn)值可知，該齒輪軸的非金屬夾雜物符合齒輪設(shè)計(jì)要求。

表4非金屬夾雜物檢驗(yàn)值

（6）顯微組織檢驗(yàn)

取齒輪軸花鍵非斷口處橫截面進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果：齒輪軸花鍵邊緣滲碳層組織基本為4級(jí)回火馬氏體，為正常的滲碳淬硬層組織（見(jiàn)圖5）；但在距齒輪軸花鍵邊緣約0.02mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有沿著晶界分布的灰色組織（未浸蝕前），浸蝕后灰色組織整體為黑色，深度約0.03mm，光學(xué)顯微鏡已經(jīng)不能分辨其細(xì)微形貌（見(jiàn)圖6、圖7）；在多數(shù)花鍵齒槽發(fā)現(xiàn)有裂紋（見(jiàn)圖8）。齒輪軸花鍵的心部（非滲層區(qū)域）組織為上貝氏體+回火馬氏體+少量鐵素體，其中回火馬氏體為強(qiáng)化心部性能的理想組織（見(jiàn)圖9）。

（7）斷口掃描電鏡微觀檢驗(yàn) 用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析，可見(jiàn)齒輪軸開(kāi)裂于花鍵根部淬硬層表面，微觀形貌主要為脆性沿晶開(kāi)裂（見(jiàn)圖10～圖12）。并分別向順時(shí)針?lè)较蛞约澳鏁r(shí)針?lè)较蚱跀U(kuò)展，微觀形貌為脆性的沿晶+解理開(kāi)裂，擴(kuò)展過(guò)程中在部分其他齒根處也不斷萌生二次裂紋源（見(jiàn)圖13～圖16）。

為進(jìn)一步判斷黑色組織的具體形態(tài)，利用掃描電鏡進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)該黑色組織不是淬火的馬氏體組織，而是上貝氏體、托氏體等非正常淬火組織（見(jiàn)圖17~圖20），該組織的存在會(huì)影響齒輪軸工作過(guò)程的疲勞性能。心部微觀形貌主要以解理開(kāi)裂，并伴隨有二次裂紋，在圖2花鍵下邊緣發(fā)現(xiàn)有少量塑性韌窩形貌（見(jiàn)圖21~圖23）。

3.綜合分析

綜上檢驗(yàn)結(jié)果分析，本齒輪軸斷裂部位的化學(xué)成分、低倍組織、非金屬夾雜物和帶狀組織，符合有關(guān)GB3077—1999和標(biāo)準(zhǔn)GB/T5216—2014的技術(shù)條件的要求。由于齒輪軸斷裂處滲層組織及滲層深度和表層硬度和心部硬度均符合主機(jī)廠技術(shù)規(guī)定。表明此齒輪具有較好的金相組織和較高的表面強(qiáng)度，這些均有助于提高齒輪的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和耐磨性，從而也說(shuō)明齒輪的熱處理工藝（滲碳、淬火+回火）基本上是正常的。

通過(guò)對(duì)斷口處進(jìn)行從宏觀觀察和微觀檢驗(yàn)，此花鍵軸斷裂屬于接觸疲勞失效。通過(guò)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在軸與花鍵交接的齒根處有異常的組織缺陷，發(fā)現(xiàn)該黑色組織不是淬火+回火后的高碳馬氏體組織，而是上貝氏體、托氏體等非正常淬火組織（見(jiàn)圖17~圖20），也就是說(shuō)在該處有非馬氏體的存在，該非馬層的深度達(dá)0.03mm，超出了標(biāo)準(zhǔn)GB/T8539—2000對(duì)齒輪非馬氏體層要求為≤0.02mm的要求。非馬體組織是由內(nèi)氧化的貧合金化元素導(dǎo)致而形成。一旦形成此類(lèi)組織，其后果是降低最表面硬度（一般指≤0.05mm處的硬度）和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生細(xì)微裂紋，并向更深的地方延伸。

該組織的存在會(huì)影響齒輪軸工作過(guò)程的疲勞性能，降低了表層的疲勞性能，同時(shí)此處也屬于應(yīng)力集中部位，工作過(guò)程中在扭矩、沖擊等復(fù)雜交變載荷的作用下，首先在軸與花鍵交接的根部萌生裂紋并沿兩側(cè)不斷擴(kuò)展，最后心部區(qū)域在交變的扭矩、沖擊等惡劣工況作用下進(jìn)一步失穩(wěn)并快速開(kāi)裂。

4.結(jié)語(yǔ)

該主動(dòng)錐齒輪花鍵斷裂主要是由于滲層表面黑色組織（非馬氏體組織過(guò)深）缺陷，同時(shí)出現(xiàn)了上貝氏體和托氏體組織引起的疲勞失效。

螺旋傘齒輪是汽車(chē)后橋主減速器的重要零件之一，在汽車(chē)的傳動(dòng)過(guò)程中起著承受載荷的重要作用。隨著汽車(chē)產(chǎn)量的逐年上升，螺旋傘齒輪的需求量也逐年增加。但用于該類(lèi)齒輪加工的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。對(duì)于帶有漸開(kāi)線(xiàn)花鍵的弧齒錐齒輪軸，由于該齒輪軸在傳遞扭矩時(shí)，主要是靠花鍵來(lái)傳遞的，所以花鍵所承受的力矩往往是最大的，同時(shí)花鍵在傳遞扭矩時(shí)既要承受扭轉(zhuǎn)力，又要承受齒輪在沖擊時(shí)的剪切力。所以在對(duì)花鍵進(jìn)行加工和熱處理時(shí)要重視花鍵齒根處的熱處理質(zhì)量，最好不要出現(xiàn)非馬氏體組織，對(duì)于氣氛爐處理的齒輪，此時(shí)要注意花鍵的冷卻不要太慢，避免出現(xiàn)非馬氏體組織，盡可能減少表面的內(nèi)氧化，非馬組織必須控制在0.02mm以?xún)?nèi)。對(duì)重載齒輪為防止疲勞斷裂（一般從齒根非馬氏體組織萌生裂紋源而擴(kuò)展）齒根非馬盡可能控制在0.03mm以?xún)?nèi),越少越好,但絕不允許黑帶的存在。

作者：高永強(qiáng)

單位：鄭州華威齒輪有限公司