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差速器主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪、從動(dòng)錐齒輪、調(diào)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(zhuǎn)矩傳給行星齒輪,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配,從而使車輪實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn),在運(yùn)行過程中,行星齒輪軸承受扭轉(zhuǎn)力和彎曲力。
1.情況描述
本文對(duì)變速箱進(jìn)行差速器耐久性試驗(yàn),檢測(cè)零部件使用壽命情況。試驗(yàn)測(cè)試過程中,變速箱出現(xiàn)異響,立即停止試驗(yàn),拆箱檢測(cè)后,發(fā)現(xiàn)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(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》。為保證行星齒輪軸的耐磨性和疲勞強(qiáng)度,本文零件熱處理工藝:淬火+回火+表面氣體氮化。
2.結(jié)果與討論
(1)宏觀分析
變速箱進(jìn)行差速器耐久性能試驗(yàn)測(cè)試過程中發(fā)生異響,后進(jìn)行拆箱分析發(fā)現(xiàn)行星齒輪軸斷裂,差速器已破損,如圖1所示,虛線箭頭標(biāo)識(shí)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(yán)重,由外向內(nèi)擴(kuò)展,終端區(qū)位于軸中心區(qū)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(duì)行星齒輪軸進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測(cè),其檢測(cè)結(jié)果如表1所示,行星齒輪軸材料化學(xué)成分均符合GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求。
表1 行星齒輪軸的材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
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(shí)測(cè)值 |
0.396 |
0.226 |
0.714 |
0.017 |
0.005 |
1.11 |
0.204 |
采用維氏硬度計(jì)(FUTURE-TECH/LC-200RB)測(cè)量斷裂行星齒輪軸的表面硬度、基體硬度,檢測(cè)前先用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn);對(duì)斷裂軸的斷口進(jìn)行金相取樣,經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后,采用光學(xué)顯微鏡(ZEISS/HAL100)進(jìn)行顯微金相組織檢測(cè),結(jié)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(jí)別等均符合技術(shù)要求,但表面疏松達(dá)到4級(jí),不符合技術(shù)要求,這直接導(dǎo)致零件表面強(qiáng)度下降,在使用過程易產(chǎn)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
圖3 表面金相組織(500×)
采用掃描電子顯微鏡SEM(EVO18)對(duì)斷口進(jìn)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(biāo)識(shí)),且疲勞紋是沿著圓周方向擴(kuò)展,在整個(gè)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(nèi)受旋轉(zhuǎn)扭力,且零件氮化后表面形成一層氮化組織,脆性相對(duì)基體大。
(a) (b)
圖4 斷口裂紋源SEM形貌
圖5和圖6分別為擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)SEM形貌,主要表現(xiàn)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(kuò)展區(qū)SEM形貌
圖6 斷口瞬斷區(qū)SEM形貌
圖7、表3是裂紋源能譜檢測(cè)位置和結(jié)果,其中譜圖1、2、4檢測(cè)部位為氮化化合物層區(qū)域,其中譜圖1和譜圖4區(qū)域可見明顯的大量孔隙,對(duì)其進(jìn)行能譜分析,該區(qū)域的氧含量明顯大于譜圖2和譜圖3區(qū)域,且z靠近表面的譜圖4區(qū)域,含氧量z高,遠(yuǎn)超過其他區(qū)域,表明零件氮化后表面疏松區(qū)域被氧化,降低表面強(qiáng)度和疲勞性能,導(dǎo)致零件試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂。
圖7 斷口裂紋源能譜檢測(cè)位置
表3 能譜檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
譜圖 |
在狀態(tài) |
C |
N |
O |
Si |
Cr |
Mn |
Fe |
Tb |
總計(jì) |
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(jié)語
行星齒輪軸氮化后,表面化合物層疏松組織不合格,試驗(yàn)過程中受到外力,形成裂紋源,并進(jìn)一步向中心區(qū)域擴(kuò)展導(dǎo)致完全斷裂。
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