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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,實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配,從而使車輪實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn),在運行過程中,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(xiàn)異響,立即停止試驗,拆箱檢測后,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)行標準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
變速箱進行差速器耐久性能試驗測試過程中發(fā)生異響,后進行拆箱分析發(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(nèi)擴展,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)對行星齒輪軸進行材料化學成分檢測,其檢測結(jié)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(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求。
表1 行星齒輪軸的材料化學成分(質(zhì)量分數(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(jīng)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(jié)果如表2所示,表面硬度、基體硬度、氮化層深、氮化物和脆性級別等均符合技術(shù)要求,但表面疏松達到4級,不符合技術(shù)要求,這直接導致零件表面強度下降,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(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(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是裂紋源能譜檢測位置和結(jié)果,其中譜圖1、2、4檢測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,對其進行能譜分析,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,降低表面強度和疲勞性能,導致零件試驗過程中發(fā)生斷裂。

圖7 斷口裂紋源能譜檢測位置
表3 能譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) (%)
| 
			 譜圖  | 
			
			 在狀態(tài)  | 
			
			 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(jié)語
行星齒輪軸氮化后,表面化合物層疏松組織不合格,試驗過程中受到外力,形成裂紋源,并進一步向中心區(qū)域擴展導致完全斷裂。
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