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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

本文對變速箱進(jìn)行差速器耐久性試驗(yàn)，檢測零部件使用壽命情況。試驗(yàn)測試過程中，變速箱出現(xiàn)異響，立即停止試驗(yàn)，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(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）對行星齒輪軸進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測，其檢測結(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）測量斷裂行星齒輪軸的表面硬度、基體硬度，檢測前先用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)；對斷裂軸的斷口進(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，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(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位置

表3  能譜檢測結(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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