汽車變速器倒檔齒輪失效淺析

余登位，廖福平，賴?yán)^發(fā)，張 強(qiáng)，肖 帆

(格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司贛州分公司，江西 贛州 341000)

汽車變速器是用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的核心部件，其主要作用是傳遞動(dòng)力。汽車手動(dòng)變速器主要由齒輪和軸組成，通過不同的齒輪組合達(dá)到變速變矩的目的。倒檔齒輪的作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變情況下，使汽車實(shí)現(xiàn)倒退行駛。

1 失效件描述

失效件為某汽車手動(dòng)變速器進(jìn)行耐久試驗(yàn)發(fā)生斷齒的倒檔齒輪。斷齒發(fā)生在第三次循環(huán)(技術(shù)要求：通過15個(gè)循環(huán))。目測(cè)可見1個(gè)輪齒沿齒根完全折斷；與該斷齒相鄰一齒齒面有凹痕(見圖1)。

圖1 倒檔齒輪斷齒外觀

該失效倒檔齒輪的加工工藝流程為：原材料→落料→墩粗→正火→精車→插齒→剃齒→滲碳淬火→回火→噴砂→磨棱→精車內(nèi)孔。

2 結(jié)果與討論

2.1 斷口宏觀分析

該失效件經(jīng)汽油、無水乙醇清洗后，得到如圖2所示的倒檔齒輪斷齒宏觀照片。從圖2可知，大致的裂紋方向?yàn)樘摼€箭頭所示，箭頭尾端為裂紋源。

2.2 化學(xué)成分分析

采用直讀能譜分析儀對(duì)倒檔齒輪進(jìn)行材料成分分析，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示，材料成分符合16MnCrS5技術(shù)要求。

2.3 硬度分析

硬度檢測(cè)如表2所示，檢測(cè)前均采用標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求；齒節(jié)圓處硬度梯度見圖3，該硬度梯度曲線平滑，沒有突變或陡降，硬度值見表3。以硬度值550 HV作為有效硬化層臨界值，該倒檔齒輪有效硬化層深Dc大約為0.82 mm，符合熱處理技術(shù)要求。

圖2 斷口宏觀形貌

表1 材料主要成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 失效齒輪硬度檢測(cè)

圖3 失效齒輪節(jié)圓處硬度梯度

表3 失效齒輪節(jié)圓處硬度值

2.4 金相組織分析

截取完好齒進(jìn)行金相檢測(cè)，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖譜得到如下結(jié)果：齒部的金相組織為碳化物：1級(jí)，馬氏體：3.5級(jí)，殘余奧氏體：3.5級(jí)，心部鐵素體：1級(jí)；從表面開始至內(nèi)部呈典型的滲碳淬火的回火組織。用金相顯微鏡觀察失效試樣，在截取的三道齒的兩側(cè)都有裂紋，并呈對(duì)稱分布，如圖4(a)所示；對(duì)剩余齒進(jìn)行滲透探傷發(fā)現(xiàn)另有5道齒存在裂紋；所探測(cè)到的裂紋大約分布在退刀槽與齒根之間的中間位置，見圖4(b)。進(jìn)一步在掃描電鏡下觀察，測(cè)得裂紋長(zhǎng)度均在1.0 mm以上，如圖5所示。同時(shí)在金相顯微鏡和掃描電鏡下未發(fā)現(xiàn)裂紋周圍金相組織異常。從以上結(jié)果及齒輪在試驗(yàn)過程中受力情況來看，裂紋為試驗(yàn)過程中受沖擊產(chǎn)生，而不是熱前裂紋或淬火裂紋。

(a)兩側(cè)；(b)退刀槽與齒根之間

圖5 掃描電鏡下測(cè)得的裂紋長(zhǎng)度 100×

2.5 斷口微觀形貌和能譜分析

圖6為斷口微觀形貌，為典型的韌窩形貌，即分布著大小不等的韌窩；但是在大部分韌窩坑洞里面分布有許多大小不等的圓形顆粒狀物質(zhì)，小的有幾微米，大的直徑達(dá)φ30 μm。從圖中還可看到這些均勻不一的圓形顆粒狀物質(zhì)與基體之間幾乎沒有結(jié)合層，很容易脫落。這些圓形顆粒狀物質(zhì)應(yīng)該為冶煉過程中產(chǎn)生的夾雜物或第二相粒子，粗大的圓形顆粒狀物質(zhì)也有可能是在后續(xù)的加熱過程中由小顆粒聚集長(zhǎng)大而成。一般來說鋼中存在一些夾雜物或第二相粒子是正常的，韌窩的底部都存在夾雜物或第二相粒子，但如此粗大、數(shù)量又多，且聚集存在卻又是不正常的，它破壞了基體的連續(xù)性，會(huì)降低鋼的強(qiáng)度和韌性。

圖7為圖6所示裂紋放大組圖。圖7(a)很清楚地顯示出裂紋源、裂紋擴(kuò)展方向等信息。在裂紋源處，可看到一個(gè)大小約為50 μm的顆粒團(tuán)夾雜物，而且該區(qū)域光滑，說明該處受力時(shí)首先產(chǎn)生裂紋，但并未完全失效，在經(jīng)歷了二次或多次受力磨損后才形成裂紋。對(duì)顆粒團(tuán)夾雜物進(jìn)行能譜成分分析，見圖8，從能譜圖的半定量元素分析可以得出(見表4)：該顆粒團(tuán)S元素含量很高，而且出現(xiàn)有Si元素，可與Mn、Fe、C等元素組成MnS及硅酸鹽夾雜物；夾雜物作為鋼件缺陷本身就是應(yīng)力集中源，在熱處理過程中夾雜物區(qū)域產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，在受力情況下很容易萌生裂紋。

(a)10×；(b)100×；(c)500×

(a)100×；(b)500×

(a)位置1；(b)位置2

表4 能譜分析檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

該倒檔齒輪失效的根本原因在于：齒輪本身有大顆粒夾雜物冶金缺陷存在，成為材料的裂紋源；而材料中大量存在粗大不均勻的圓形顆粒狀?yuàn)A雜物降低了材料的強(qiáng)韌性，使得齒輪的綜合力學(xué)性能下降，在循環(huán)沖擊載荷的作用下發(fā)生斷裂失效。