变速箱太阳轮疲劳失效原因分析

时间：2024-07-28

王文博

(霍尼韦尔自动化控制(中国)有限公司，上海 201203)

太阳轮作为重载汽车变速箱中重要的传动部件，在工作中不断的啮合，不断地承受接触和弯曲疲劳应力，因此需要具备良好的抗疲劳性能[1-2]。如果原材料质量不合格，热处理工艺不合理，夹杂物超标等将会造成该零件在使用过程中的断裂，直接造成整个变速箱的失效[3]。

某重载汽车变速箱在工作1100小时后，其中的太阳轮轮齿发生断裂，造成了整个变速箱内传动装置的失效。该太阳轮材料牌号为SAE8620RH，其主要加工工艺为:下料→锻造→正火→粗车→调质热处理→精车→渗碳淬火→齿面磨削 →成品。表面硬度要求:58～64HRC;心部硬度要求:30～45HRC;硬化层深度要求513HV1:0.60～1.20 mm，其它技术要求按JB/T6141.2-1992和JB/T6141.3-1992标准执行。本研究通过对该太阳轮的宏观形貌及微观断口进行观察分析，并结合零件的金相组织、硬度和化学分析结果，对引起疲劳断裂的因素进行分析和讨论，揭示了该类零件的断裂过程和原因，为产品的安全、质量改进提供技术支持和依据。

1 试验过程与结果

1.1 失效件宏观观察

太阳轮断裂宏观形貌见图1，目视可见太阳轮轮齿发生断裂，断裂位置大概为齿轮节圆处。图2是附近几个轮齿的破坏形貌，明显可见齿轮变形和崩齿，这主要是齿轮断裂后，碎块撞击造成的二次破坏。没有发现受力异常的宏观特征。

图1 断裂宏观形貌Fig.1 Macro morphology of thefailed gear

图2 附近轮齿宏观形貌Fig.2 Macro morphology of thegear tooth nearby

图3是体视显微镜下的照片。从图中可见裂纹源位置在轮齿的次表面；裂纹源处可见许多棘轮纹；扩展区可见海滩纹；瞬断区具有剪切特征，存在一定的磨损痕迹。疲劳区约占整个断面面积的30%以上。从断口的宏观形貌判断，断裂起源于轮齿次表面的缺陷位置；这些缺陷造成了应力集中，从而成为了疲劳源[4]。

图3 断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of the facture

1.2 失效件微观观察

将断面清洗后置于扫描电镜下进行形貌观察。从图4看出断面源区可见明显带状材料缺陷，其平面尺寸为2.17 mm*0.458 mm；在裂纹源处可见疲劳棘轮，这说明该材料缺陷导致了应力集中。图5为裂纹源区的详细缺陷形貌以及能谱分析结果，可见以Al2O3为主的团簇状夹杂物，这种夹杂物无明显的塑形，外形不规则、尺寸较大。扩展区可见疲劳辉纹形貌，见图6。从断口宏微观形貌判断其断裂模式为疲劳断裂[4]。

图4 断口裂纹源形貌Fig.4 Crack origin region

图5 裂纹源处缺陷形貌和能谱成分结果Fig.5 Defects and EDS results at crack origin

图6 扩展区疲劳辉纹形貌Fig.6 Fatigue striations at expansion region

1.3 材质检查

1.3.1 金相组织

图7(a) 和(b)为齿部金相组织，可见齿部节圆处和根部的金相组织为碳化物: 1级，马氏体:1级，残余奥氏体: 1级。图7(c)为齿部心部金相组织，心部铁素体: 1级。表面开始至内部呈典型的渗碳淬火的回火组织。金相试样的微观组织与热处理工艺相符[5]。

依据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定法》，用比较法对晶粒度进行评级，评定等级为晶粒度8级，见图8, 满足技术要求。

参照GB/T 10561-2005标准对非裂纹源处夹杂物进行评级，结果见表1，可见整体上符合设计要求。

表1 非断裂源处夹杂物评级结果

图7 齿部显微组织形貌Fig.7 Microstructure of the gear

图8 齿部晶粒度Fig.8 Grain size of the gear

1.3.2 硬度检测

对节圆处硬化层深度和硬度进行测量，结果见表2。硬化层深度和硬度均满足技术要求，说明该零件热处理工艺正常，保证了齿轮的强韧性。调质热处理保证了零件的心部硬度，渗碳淬火保证了零件的渗层深度和表面硬度。

表2 节圆处硬化层深度和硬度测量值

1.3.3 化学成分分析

在断裂齿轮本体取样，采用德国SPECT-ROMAXx直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果见表3，符合采用SAE8620RH的技术要求。

表3 太阳轮化学成分(质量分数，%)

2 分析与讨论

金相分析、化学成分分析，硬度以及硬化层深度分析结果表明该太阳轮的调质热处理和渗碳淬火符合技术要求。

宏微观观察结果表明，太阳轮的失效模式是典型的疲劳断裂，疲劳源区位于轮齿节圆次表面的冶炼缺陷处。能谱分析结果说明该冶炼缺陷是以Al2O3为主的带状夹杂物[6]。通常这类夹杂物为外来夹杂物，它具有的主要特征是：外形不规则、尺寸较大、随机出现。这主要是钢液二次氧化产物，一般是由于熔渣、耐火材料等滞留在钢液中造成的，外来夹杂物与钢液成分没有直接关系[6]。但这类夹杂物对断裂主要有以下几个方面的影响：

2.1 夹杂物对裂纹的形成[7,8]

这类夹杂物的存在会破坏材料的均质性，导致应力的分布不均匀，在夹杂物周围与基体交界处出现应力急剧升高，这就是所谓的应力集中。同时这类夹杂物无塑形，不变形，在与基体接触的地方，在受力作用下成为微裂纹的发源地。这些微裂纹就成为了疲劳失效的裂纹源。

2.2 夹杂物和齿轮的疲劳[9]

在本研究中齿轮钢这类以Al2O3为主的带状夹杂物很少出现，但对钢的性能有非常大的影响，它就是钢材内部的微裂纹，会严重破坏基体的连续性，降低钢的塑性、韧性，在零件承受一定的重复或交变应力，经多次循环后破坏，从而降低疲劳寿命。

齿轮用钢的疲劳寿命与裂纹处存在的夹杂物大小也有很大的关系，并且存在反相关关系[10]。夹杂物的尺寸越大，越容易成为裂纹萌生源，从而明显地降低疲劳寿命；反之，最大夹杂物尺寸越小，对疲劳性能的影响越小。但是夹杂物的无限细化，会造成生产成本的大幅度提高。一般而言，只要夹杂物尺寸控制在某一临界值以下，将会有效控制裂纹从夹杂物处萌生，也将降低夹杂物作为断裂源的可能性[11]。因此，控制夹杂物的尺寸也是提高齿轮的疲劳寿命和降低开裂可能的有效途径。

综上所述，以Al2O3为主的带状夹杂物是这次太阳轮疲劳失效的根本原因。因此建议从冶炼、浇注和出钢过程入手，加强精炼脱氧，防止钢液二次氧化，从而有效控制以Al2O3为主的带状夹杂物的尺寸和形成[8-9]。