半轴齿轮断裂冶金分析

黄 阳，杨 刚，王 坚，王 红

（中国航发南方工业有限公司材料工程应用研究室，湖南 株洲 412000）

半轴齿轮断裂冶金分析

黄 阳，杨 刚，王 坚，王 红

（中国航发南方工业有限公司材料工程应用研究室，湖南 株洲 412000）

某汽车差速器总成使用约8000里程后检查发现其半轴齿轮轮齿发生断裂，对失效半轴齿轮进行宏、微观断口分析、化学成分、组织及硬度检查，确定半轴齿轮断裂性质为冲击过载断裂。

半轴齿轮；渗碳；过载；断裂

汽车直行时差速器不工作，半轴齿轮保持静止。汽车转弯时，半轴齿轮带动行星齿轮，进而传递载荷。某汽车差速器总成使用约8000里程后检查发现其半轴齿轮轮齿发生断裂，半轴齿轮材料牌号为20CrMnTiH，齿轮经渗碳处理（技术要求：渗层深度0.6～0.9mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～48HRC）。文章对半轴齿轮进行宏观、微观断口分析，并对齿轮进行了化学成分、组织及硬度检测，确定了齿轮的断裂性质及失效原因。

1　试验结果

1.1外观

该汽车差速器半轴齿轮共2个，分别编为1#、2#，外观形貌见图1，半轴齿轮表面均呈亮金属色。1#半轴齿轮损坏较2#严重，13个轮齿均已断裂，2个轮齿断裂位于齿底与齿面转接R处，断口完整，断面局部存在擦伤，其余轮齿断裂位置基本位于距齿底约1～2mm齿面处，断面磨损严重，可见明显金属碾压痕迹，内花键较完整，无异常损伤。2#半轴齿轮共11个轮齿出现断裂，断裂基本位于齿面节圆至齿顶范围内，断面挤压磨损严重，无明显断口特征，2个轮齿完整，仅齿顶部位局部存在挤压痕迹。

表1　半轴齿轮化学成分分析结果（wt%）

图1　半轴齿轮外观形貌

图2　1#半轴齿轮宏观断口形貌

1.4金相检查

垂直于齿面取样对半轴齿轮进行金相检查，结果见表2。

1.2断口分析

1#半轴齿轮断口经宏观观察，断面较为完整的2个轮齿的断裂位置均起始于轮齿工作面齿面与齿底转接R处，起始区擦伤较为严重，断面呈现两种颜色，起始区及最后断裂区均呈浅灰色细瓷状形貌，扩展区呈深灰色成排纤维状，见图2。

1#半轴齿轮经扫描电镜观察，断口起始区与终断区微观形貌一致，为沿晶+准解理形貌，扩展区为等轴韧窝形貌，见图3。

1.3成分分析

在断裂的轮齿部位取样进行化学定量分析，结果见表1，半轴齿轮化学成分符合相关技术条件要求。

1.5硬度检查

对半轴齿轮表面及心部硬度、渗碳层有效硬化层深度进行检测，结果见表3、表4，半轴齿轮表面及心部硬度符合相关技术条件要求，表面渗碳层深度超过设计要求。

图3　1#半轴齿轮微观断口形貌

表2　金相检查结果

表3　表面及心部硬度检测结果（HRC）

表4　渗碳层硬度梯度检测结果（HV0.5）

图4　半轴齿轮表面渗层显微组织

图5　半轴齿轮心部显微组织

2　分析讨论

1#半轴齿轮损坏相对严重，13个轮齿均已断裂，2#半轴齿轮共11个轮齿出现断裂，2个轮齿完整，仅齿顶部位局部存在挤压痕迹。根据损坏程度判定，1#半轴齿轮最先开始断裂。通过断口分析，1#半轴齿轮断裂起始轮齿工作面齿面与齿底转接R处，起始区位于渗层内，为浅灰色细瓷状，微观呈沿晶+准解理特征，扩展区呈深灰色成排纤维状，微观呈等轴韧窝形貌，分析认为1#半轴齿轮断裂性质为冲击过载断裂。

齿轮工作时受到较大的冲击过载，在很少的循环数中就发生失效的现象称为冲击过载失效。冲击过载失效的类型较多，如冲击过载断齿、齿的剪切破坏、齿的錾平及壳层压碎等，但冲击过载断齿是齿轮发生冲击过载失效中最为危险及最常见的方式。冲击过载断齿指齿轮突然受到过载和冲击而在少数几个循环内发生的断齿破坏，它一般发生在轮齿承受最大弯曲应力的齿根部位。通常人们也把由于材料脆性过大而引起的在少数几个循环内发生的断齿破坏称为冲击过载断齿。冲击过载断齿断口粗糙，没有齿根弯曲疲劳断口显示的疲劳弧线或疲劳条带特征，但有时能观察到少量由冲击过载扩展造成的棱线。同时由于它是受突然向前或反方向的冲击载荷作用，棱线通常是无次序的，并且断口可能以相当平的途径横穿过对面的根部圆角，而不通过零应力点。

由此可知，差速器工作过程中1#半轴齿轮承受异常冲击载荷产生最先产生冲击过载断裂，进而导致1#、2#半轴齿轮磨损断裂。

3　结论

综上所述，得出的结论如下：①半轴齿轮化学成分、表面及心部硬度均符合设计要求，渗层有效硬化层深度偏深，不符合设计要求；②1#半轴齿轮断裂性质为冲击过载，2#半轴齿轮为后续损坏件。

［1］航空钢制件渗碳、碳氮共渗渗层深度测定方法［S］.HB5493-1991.

U464.233

A

1671-3818（2016）09-0007-02