主动锥齿轮轴花键断裂分析

０．Ｊ７～ ０．１７～ Ｏ ８Ｏ～
１．００～ ０．０４～
标准值 ０
≤０．０３５ ≤０．０３５
≤Ｏ．３Ｏ ≤０．３０
２３ ０．３７ １．１５
。
１．３５ ０．１０
柃验 值 ０．２ｌ ０．２４ １．０２ Ｏ．０ Ｊ２ ０．０３０ Ｊ．２１ Ｏ．Ｏ６ｏ ０．０３５ Ｏ．Ｊ０
Ａ ｕＭｔｏ ｐ ａ ｒｔｓ ｌ汽车零部件
主动锥齿轮轴花键断裂分析
● 高 永 强
摘 要 ：对 于主 动 齿轮 花键 轴 断 裂， 采用 宏观观 察、扫 描 电镜 观察 分析 、 断 口分析 、金 相 分析 及理化 测 试 分析 等试验 方 法进 行 分析 。结 果表 明 花键 为脆 性 断 裂 ，且 有 多个 裂纹 源 同 时扩展 ； 电镜 下可 观 察到 有 明 显 的脆 性特 征 ，花键 部 位 的化 学 成 分、 非 金 属 夹杂物 、硬度 均 符 合技 术要 求 ，但 表 面非 马氏体 组织 （屈 氏体 组 织）较 深 。约０．０３ｒａｍ，不 符合技 术要 求 （小 于 等于 ０．０２ｒ ａｍ）。 花键 齿顶 断 口部 位 的 晶粒粗 大． 易造 成该 部 位的韧 性 不足 ，脆 性过 大，抗 冲 击过 载 能 力不足 ， 易产生脆性 起始 裂 纹 ， 断定 晶粒粗 大是 造成 花键 断 裂的主要 原 因 ，并提 出 了应 对花键 的 热处理 过 程加 以监 测控 制 的改进措 施 。 关键 词 ：花键 轴 ；断 裂；失效 分析 ；晶粒粗 大
（６） 显 微 组 织 检 验 取 齿 轮 轴 花 键 非断 口处 横 截面 进 行 显 微 组 织 检 验 ，检验 结 果 ：齿轮 轴 花键边缘 渗碳 层组织ห้องสมุดไป่ตู้基本 为４级
火 马 氏 体 ，为 正常 的渗 碳 淬 硬 层 组 织 （见 图 ５） ；但 在 距 齿轮 轴 花 键 边 缘 约 ０．０２ｍｍ范 围 内 发 现 有 沿 着 晶 界 分 布 的 灰 色 组 织
常 。 （５ ） 非 金 属 夹 杂 物 检
验 取 该失 效 齿 轮 轴 的 断 Ｉ＝１处 的 纵 截 面 ，并 对 该 处 纵 截 面 进 行 非 金 属 夹 杂 物 的 检 验 ，结 果 如 表 ４ 所 示 ， 该 齿轮 轴 的 非 金 属 夹 杂 物 符 合齿 轮 设 计要 求 。
（２）化 学 成 分 检 验 对 该 齿 轮 轴 进 行 化 学 成 分 检 验 ，结 果 如表 ｌ所 示 ，其化 学 成 分 符 合ＧＢ／
Ｔ ５２１ ６—２００４中２０ＣｒＭｎＴｉＨ优 质 合金结 构钢 的 要求 。
（３）硬 度 及 硬 化 层 深 度 检 验 对 该失 效 的 齿轮 轴进 行硬 度 及 硬 化 层深 度 进 行检 验 ，结 果 如 表２所 示 ，均 符 合设 计要 求 。
２．理 化检验情况
（１）断 口 宏观 检 验 齿 轮 轴 断 口的 宏 观 形 貌 见 图 ２， 断 裂
发生 在 齿轮 轴 花 键 与 光 杆 连 接 处 的过 渡 部 位 。断 口与 轴 向垂 直 ， 断 面 较 平 坦 ，无 明显 宏 观 塑 性 变 形 及异 常 机 械 损 伤 痕 迹 。初 步 观 察 判 断 断 裂 起 源 于 齿 轮 轴 花 键 表 面 的渗 层位 置 。
（未 浸 蚀 前 ） ，浸 蚀 后 灰 色 组 织 整 体 为 黑 色 ，深 度 约 ０．０３ｍｍ ， 光 学 显微 镜 已经 不能 分 辨 其 细 微 形 貌 （见 图６、 图７） ；在 多数 花 键 齿 槽 发 现 有 裂 纹 （见 图 ８） 。 齿 轮 轴 花 键 的 心 部 （非 渗 层 区 域 ）组 织 为 上 贝 氏 体 ＋回 火 马 氏 体 ＋少 量 铁 素 体 ， 其 中 回 火 马 氏 体 为 强 化 心 部 性 能 的 理 想 组 织
Ｉ．失效齿 轮轴 情况
该 齿轮 轴 为 已 经断 裂 的 ｓｕＶ 汽 车 主 动 锥 齿 轮 轴 ，断 口保 存 完 好 ，其 表 面 未 见明 显 锈 蚀 ，以 下 简 称 为 “齿 轮 轴 ” 。 据 ４Ｓ店 反 映 ：该 锥 齿 轮 在 车 行 驶 ５万ｋｍ时 发 生 断 裂 （见 图 ｌ、 图２） ，其 材 质 为 ２０ＣｒＭｎＴｉＨ，规 格 为 ｓｕＶ 越 野车 型 ；齿轮 轴 的 主 要生 产 工 序 ：锻 造 一正 火 一机 械 加工 一搓 花键 一 切 齿 一渗 碳 淬 火 一低 温 回 火 一喷 丸 一螺 纹 退 火 。
汽 车 前 后 桥 差 检 总 成 属 汽 车 的核 心 部 件 ，其 中的 主 、从 动 齿 轮 在 汽 车 传动 中 又起 着 关 键 的 作 用 ， 主 动 齿 轮 轴 的 断 裂 属 齿 轮 失效 的 最 严 重 形 式 。本 文 所 述 齿 轮 花 键 轴 在 行 驶 过 程 中发 生 了断 裂 ，针 对此 问 题进 行分 析 。
（４）宏 观 低 倍 组 织 及 其 表 面 质 量 检 验 取 齿 轮 轴 的 横 截 面 进 行 低 倍组 织 检 验 ，结 果 如 表
图１ 齿轮轴断裂位置
图２ 一侧断 口
表ｌ 化学成 分检 验值 （质量分数 ）
（％）
检 验 项 目 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ
Ｓ Ｃｒ Ｔｉ Ｎｉ Ｃｕ
参磊 热加工
９
Ａ ｕＭｔｏ…ｐａｒ ｔｓ Ｉ汽车零部件
３、 图３所 示 。 由表 ３中 检 验 值 可 知 齿轮 轴 的 低 倍组 织 符 合设 计 要 求 。 对 断 口附 近 表面 进 行观 察 ， 表 面 光 洁 ，未 见 有 明 显异 常 （见 罔４） 。 对 齿 轮 轴 花 键 与轴 之 间 的 圆弧 曲率 半 径 进 行 测 量 ，未 见
（见 图９）。 （７） 断 口扫 描 电 镜 微 观 检
验 用 扫 描 电 镜 对 断 口进 行 微 观 分 析 ，可 见齿 轮 轴 开 裂于 花 键 根 部淬 硬 层表 面 ，微 观 形 貌 主 要 为 脆 性 沿 晶 开 裂 （见 图 １ ０～ 图 ｌ２） 。并 分 别 向 顺 时针 方 向以 及 逆 时 针 方 向疲 劳 扩 展 ，微 观 形 貌 为 脆 性 的 沿 晶＋解 理 开 裂 ，扩 展 过 程 中 在 部 分 其 他 齿 根 处 也 不断 萌 生 二 次 裂 纹 源 （见 图 １ ３～ 图