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嘉峪檢測網 2019-01-16 11:19
差速器主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪、從動錐齒輪、調整墊片、軸承以及行星齒輪軸等組成，行星齒輪軸的作用是將轉矩傳給行星齒輪，實現轉矩分配，從而使車輪實現差速運轉，在運行過程中，行星齒輪軸承受扭轉力和彎曲力。
1.情況描述
本文對變速箱進行差速器耐久性試驗，檢測零部件使用壽命情況。試驗測試過程中，變速箱出現異響，立即停止試驗，拆箱檢測后，發現差速器殼體破損，行星齒輪軸斷裂。行星齒輪軸材料為彈簧鋼42CrMo，材料執行標準GB/T 3077《合金結構鋼》。為保證行星齒輪軸的耐磨性和疲勞強度，本文零件熱處理工藝：淬火+回火+表面氣體氮化。
2.結果與討論
（1）宏觀分析
變速箱進行差速器耐久性能試驗測試過程中發生異響，后進行拆箱分析發現行星齒輪軸斷裂，差速器已破損，如圖1所示，虛線箭頭標識處為斷裂行星齒輪軸。圖2為軸斷口的整體形貌，斷裂源位于圓周表面，且磨損嚴重，由外向內擴展，終端區位于軸中心區域。
圖1 失效的差速器總成
圖2 行星齒輪軸的斷口形貌
（2）微觀分析
采用能譜分析儀（SPECTRO/LAB LAVM10）對行星齒輪軸進行材料化學成分檢測，其檢測結果如表1所示，行星齒輪軸材料化學成分均符合GB/T 3077《合金結構鋼》的技術要求。
表1 行星齒輪軸的材料化學成分（質量分數）（%）
|
元素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
|
要求值 |
0.38～0.45 |
0.17～0.37 |
0.50～0.80 |
≤0.20 |
≤0.20 |
0.90～1.20 |
0.15～0.25 |
|
實測值 |
0.396 |
0.226 |
0.714 |
0.017 |
0.005 |
1.11 |
0.204 |
采用維氏硬度計（FUTURE-TECH/LC-200RB）測量斷裂行星齒輪軸的表面硬度、基體硬度，檢測前先用標準試塊進行校準；對斷裂軸的斷口進行金相取樣，經鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，采用光學顯微鏡（ZEISS/HAL100）進行顯微金相組織檢測，結果如表2所示，表面硬度、基體硬度、氮化層深、氮化物和脆性級別等均符合技術要求，但表面疏松達到4級，不符合技術要求，這直接導致零件表面強度下降，在使用過程易產生裂紋，降低零件的疲勞壽命。
表2 行星齒輪軸的硬度和金相組織
|
項目 |
表面硬度HV |
基體硬度HV |
氮化層深/μm |
金相組織/級（GB/T11354） |
||
|
脆性 |
疏松 |
氮化物 |
||||
|
技術要求 |
≥600 |
300～400 |
0.012～0.020 |
1～2 |
1～2 |
1～2 |
|
實測值 |
727 |
346 |
0.016 |
2 |
4（見圖3） |
2 |
圖3 表面金相組織（500×）
采用掃描電子顯微鏡SEM（EVO18）對斷口進一步分析，圖4為斷口裂紋源形貌，表面存在疲勞輝紋（見凸4b白色箭頭標識），且疲勞紋是沿著圓周方向擴展，在整個圓周方向上先形成一層裂紋，距表面大約1 mm，主要原因是行星齒輪軸在變速箱內受旋轉扭力，且零件氮化后表面形成一層氮化組織，脆性相對基體大。
（a） （b）
圖4 斷口裂紋源SEM形貌
圖5和圖6分別為擴展區和瞬斷區SEM形貌，主要表現為解理斷口，表明零件受到外力較大，斷裂速度快。
圖5 斷口擴展區SEM形貌
圖6 斷口瞬斷區SEM形貌
圖7、表3是裂紋源能譜檢測位置和結果，其中譜圖1、2、4檢測部位為氮化化合物層區域，其中譜圖1和譜圖4區域可見明顯的大量孔隙，對其進行能譜分析，該區域的氧含量明顯大于譜圖2和譜圖3區域，且最靠近表面的譜圖4區域，含氧量最高，遠超過其他區域，表明零件氮化后表面疏松區域被氧化，降低表面強度和疲勞性能，導致零件試驗過程中發生斷裂。
圖7 斷口裂紋源能譜檢測位置
表3 能譜檢測結果（質量分數） （%）
|
譜圖 |
在狀態 |
C |
N |
O |
Si |
Cr |
Mn |
Fe |
Tb |
總計 |
|
1 |
是 |
13.70 |
6.00 |
6.44 |
0.23 |
0.95 |
0.54 |
72.15 |
— |
100 |
|
2 |
是 |
4.86 |
— |
1.45 |
— |
1.17 |
0.56 |
88.66 |
3.29 |
100 |
|
3 |
是 |
10.93 |
— |
2.91 |
0.32 |
1.06 |
0.65 |
84.13 |
— |
100 |
|
4 |
是 |
12.48 |
5.15 |
12.69 |
0.29 |
0.91 |
0.55 |
67.93 |
— |
100 |
3.結語
行星齒輪軸氮化后，表面化合物層疏松組織不合格，試驗過程中受到外力，形成裂紋源，并進一步向中心區域擴展導致完全斷裂。
作者：王令，李志華
單位：格特拉克（江西）傳動系統有限公司
來源：金屬加工
