變速箱太陽輪疲勞失效原因分析

王文博

(霍尼韋爾自動(dòng)化控制(中國)有限公司，上海 201203)

太陽輪作為重載汽車變速箱中重要的傳動(dòng)部件，在工作中不斷的嚙合，不斷地承受接觸和彎曲疲勞應(yīng)力，因此需要具備良好的抗疲勞性能[1-2]。如果原材料質(zhì)量不合格，熱處理工藝不合理，夾雜物超標(biāo)等將會(huì)造成該零件在使用過程中的斷裂，直接造成整個(gè)變速箱的失效[3]。

某重載汽車變速箱在工作1100小時(shí)后，其中的太陽輪輪齒發(fā)生斷裂，造成了整個(gè)變速箱內(nèi)傳動(dòng)裝置的失效。該太陽輪材料牌號為SAE8620RH，其主要加工工藝為:下料→鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)熱處理→精車→滲碳淬火→齒面磨削 →成品。表面硬度要求:58～64HRC;心部硬度要求:30～45HRC;硬化層深度要求513HV1:0.60～1.20 mm，其它技術(shù)要求按JB/T6141.2-1992和JB/T6141.3-1992標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。本研究通過對該太陽輪的宏觀形貌及微觀斷口進(jìn)行觀察分析，并結(jié)合零件的金相組織、硬度和化學(xué)分析結(jié)果，對引起疲勞斷裂的因素進(jìn)行分析和討論，揭示了該類零件的斷裂過程和原因，為產(chǎn)品的安全、質(zhì)量改進(jìn)提供技術(shù)支持和依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 失效件宏觀觀察

太陽輪斷裂宏觀形貌見圖1，目視可見太陽輪輪齒發(fā)生斷裂，斷裂位置大概為齒輪節(jié)圓處。圖2是附近幾個(gè)輪齒的破壞形貌，明顯可見齒輪變形和崩齒，這主要是齒輪斷裂后，碎塊撞擊造成的二次破壞。沒有發(fā)現(xiàn)受力異常的宏觀特征。

圖1 斷裂宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of thefailed gear

圖2 附近輪齒宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of thegear tooth nearby

圖3是體視顯微鏡下的照片。從圖中可見裂紋源位置在輪齒的次表面；裂紋源處可見許多棘輪紋；擴(kuò)展區(qū)可見海灘紋；瞬斷區(qū)具有剪切特征，存在一定的磨損痕跡。疲勞區(qū)約占整個(gè)斷面面積的30%以上。從斷口的宏觀形貌判斷，斷裂起源于輪齒次表面的缺陷位置；這些缺陷造成了應(yīng)力集中，從而成為了疲勞源[4]。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the facture

1.2 失效件微觀觀察

將斷面清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行形貌觀察。從圖4看出斷面源區(qū)可見明顯帶狀材料缺陷，其平面尺寸為2.17 mm*0.458 mm；在裂紋源處可見疲勞棘輪，這說明該材料缺陷導(dǎo)致了應(yīng)力集中。圖5為裂紋源區(qū)的詳細(xì)缺陷形貌以及能譜分析結(jié)果，可見以Al2O3為主的團(tuán)簇狀?yuàn)A雜物，這種夾雜物無明顯的塑形，外形不規(guī)則、尺寸較大。擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋形貌，見圖6。從斷口宏微觀形貌判斷其斷裂模式為疲勞斷裂[4]。

圖4 斷口裂紋源形貌Fig.4 Crack origin region

圖5 裂紋源處缺陷形貌和能譜成分結(jié)果Fig.5 Defects and EDS results at crack origin

圖6 擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋形貌Fig.6 Fatigue striations at expansion region

1.3 材質(zhì)檢查

1.3.1 金相組織

圖7(a) 和(b)為齒部金相組織，可見齒部節(jié)圓處和根部的金相組織為碳化物: 1級，馬氏體:1級，殘余奧氏體: 1級。圖7(c)為齒部心部金相組織，心部鐵素體: 1級。表面開始至內(nèi)部呈典型的滲碳淬火的回火組織。金相試樣的微觀組織與熱處理工藝相符[5]。

依據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定法》，用比較法對晶粒度進(jìn)行評級，評定等級為晶粒度8級，見圖8, 滿足技術(shù)要求。

參照GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)對非裂紋源處夾雜物進(jìn)行評級，結(jié)果見表1，可見整體上符合設(shè)計(jì)要求。

表1 非斷裂源處夾雜物評級結(jié)果

圖7 齒部顯微組織形貌Fig.7 Microstructure of the gear

圖8 齒部晶粒度Fig.8 Grain size of the gear

1.3.2 硬度檢測

對節(jié)圓處硬化層深度和硬度進(jìn)行測量，結(jié)果見表2。硬化層深度和硬度均滿足技術(shù)要求，說明該零件熱處理工藝正常，保證了齒輪的強(qiáng)韌性。調(diào)質(zhì)熱處理保證了零件的心部硬度，滲碳淬火保證了零件的滲層深度和表面硬度。

表2 節(jié)圓處硬化層深度和硬度測量值

1.3.3 化學(xué)成分分析

在斷裂齒輪本體取樣，采用德國SPECT-ROMAXx直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，符合采用SAE8620RH的技術(shù)要求。

表3 太陽輪化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 分析與討論

金相分析、化學(xué)成分分析，硬度以及硬化層深度分析結(jié)果表明該太陽輪的調(diào)質(zhì)熱處理和滲碳淬火符合技術(shù)要求。

宏微觀觀察結(jié)果表明，太陽輪的失效模式是典型的疲勞斷裂，疲勞源區(qū)位于輪齒節(jié)圓次表面的冶煉缺陷處。能譜分析結(jié)果說明該冶煉缺陷是以Al2O3為主的帶狀?yuàn)A雜物[6]。通常這類夾雜物為外來夾雜物，它具有的主要特征是：外形不規(guī)則、尺寸較大、隨機(jī)出現(xiàn)。這主要是鋼液二次氧化產(chǎn)物，一般是由于熔渣、耐火材料等滯留在鋼液中造成的，外來夾雜物與鋼液成分沒有直接關(guān)系[6]。但這類夾雜物對斷裂主要有以下幾個(gè)方面的影響：

2.1 夾雜物對裂紋的形成[7,8]

這類夾雜物的存在會(huì)破壞材料的均質(zhì)性，導(dǎo)致應(yīng)力的分布不均勻，在夾雜物周圍與基體交界處出現(xiàn)應(yīng)力急劇升高，這就是所謂的應(yīng)力集中。同時(shí)這類夾雜物無塑形，不變形，在與基體接觸的地方，在受力作用下成為微裂紋的發(fā)源地。這些微裂紋就成為了疲勞失效的裂紋源。

2.2 夾雜物和齒輪的疲勞[9]

在本研究中齒輪鋼這類以Al2O3為主的帶狀?yuàn)A雜物很少出現(xiàn)，但對鋼的性能有非常大的影響，它就是鋼材內(nèi)部的微裂紋，會(huì)嚴(yán)重破壞基體的連續(xù)性，降低鋼的塑性、韌性，在零件承受一定的重復(fù)或交變應(yīng)力，經(jīng)多次循環(huán)后破壞，從而降低疲勞壽命。

齒輪用鋼的疲勞壽命與裂紋處存在的夾雜物大小也有很大的關(guān)系，并且存在反相關(guān)關(guān)系[10]。夾雜物的尺寸越大，越容易成為裂紋萌生源，從而明顯地降低疲勞壽命；反之，最大夾雜物尺寸越小，對疲勞性能的影響越小。但是夾雜物的無限細(xì)化，會(huì)造成生產(chǎn)成本的大幅度提高。一般而言，只要夾雜物尺寸控制在某一臨界值以下，將會(huì)有效控制裂紋從夾雜物處萌生，也將降低夾雜物作為斷裂源的可能性[11]。因此，控制夾雜物的尺寸也是提高齒輪的疲勞壽命和降低開裂可能的有效途徑。

綜上所述，以Al2O3為主的帶狀?yuàn)A雜物是這次太陽輪疲勞失效的根本原因。因此建議從冶煉、澆注和出鋼過程入手，加強(qiáng)精煉脫氧，防止鋼液二次氧化，從而有效控制以Al2O3為主的帶狀?yuàn)A雜物的尺寸和形成[8-9]。

3 結(jié)論與建議

1)該變速箱太陽輪的斷裂模式為疲勞斷裂。

2)斷裂原因與裂紋處存在以Al2O3為主的帶狀?yuàn)A雜物有關(guān)。

3)建議改進(jìn)鋼的冶煉過程，加強(qiáng)精煉脫氧，防止鋼液二次氧化，從而改善鋼的冶煉質(zhì)量，防止此類失效的出現(xiàn)。