余登位,廖福平,賴?yán)^發(fā),張 強,肖 帆
(格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司贛州分公司,江西 贛州 341000)
汽車變速器是用于連接發(fā)動機(jī)以驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的核心部件,其主要作用是傳遞動力。汽車手動變速器主要由齒輪和軸組成,通過不同的齒輪組合達(dá)到變速變矩的目的。倒檔齒輪的作用是在發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變情況下,使汽車實現(xiàn)倒退行駛。
失效件為某汽車手動變速器進(jìn)行耐久試驗發(fā)生斷齒的倒檔齒輪。斷齒發(fā)生在第三次循環(huán)(技術(shù)要求:通過15個循環(huán))。目測可見1個輪齒沿齒根完全折斷;與該斷齒相鄰一齒齒面有凹痕(見圖1)。
圖1 倒檔齒輪斷齒外觀
該失效倒檔齒輪的加工工藝流程為:原材料→落料→墩粗→正火→精車→插齒→剃齒→滲碳淬火→回火→噴砂→磨棱→精車內(nèi)孔。
該失效件經(jīng)汽油、無水乙醇清洗后,得到如圖2所示的倒檔齒輪斷齒宏觀照片。從圖2可知,大致的裂紋方向為虛線箭頭所示,箭頭尾端為裂紋源。
采用直讀能譜分析儀對倒檔齒輪進(jìn)行材料成分分析,其檢測結(jié)果如表1所示,材料成分符合16MnCrS5技術(shù)要求。
硬度檢測如表2所示,檢測前均采用標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行校準(zhǔn),檢測結(jié)果符合技術(shù)要求;齒節(jié)圓處硬度梯度見圖3,該硬度梯度曲線平滑,沒有突變或陡降,硬度值見表3。以硬度值550 HV作為有效硬化層臨界值,該倒檔齒輪有效硬化層深Dc大約為0.82 mm,符合熱處理技術(shù)要求。
圖2 斷口宏觀形貌
表1 材料主要成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
表2 失效齒輪硬度檢測
圖3 失效齒輪節(jié)圓處硬度梯度
表3 失效齒輪節(jié)圓處硬度值
截取完好齒進(jìn)行金相檢測,對照標(biāo)準(zhǔn)圖譜得到如下結(jié)果:齒部的金相組織為碳化物:1級,馬氏體:3.5級,殘余奧氏體:3.5級,心部鐵素體:1級;從表面開始至內(nèi)部呈典型的滲碳淬火的回火組織。用金相顯微鏡觀察失效試樣,在截取的三道齒的兩側(cè)都有裂紋,并呈對稱分布,如圖4(a)所示;對剩余齒進(jìn)行滲透探傷發(fā)現(xiàn)另有5道齒存在裂紋;所探測到的裂紋大約分布在退刀槽與齒根之間的中間位置,見圖4(b)。進(jìn)一步在掃描電鏡下觀察,測得裂紋長度均在1.0 mm以上,如圖5所示。同時在金相顯微鏡和掃描電鏡下未發(fā)現(xiàn)裂紋周圍金相組織異常。從以上結(jié)果及齒輪在試驗過程中受力情況來看,裂紋為試驗過程中受沖擊產(chǎn)生,而不是熱前裂紋或淬火裂紋。
(a)兩側(cè);(b)退刀槽與齒根之間
圖5 掃描電鏡下測得的裂紋長度 100×
圖6為斷口微觀形貌,為典型的韌窩形貌,即分布著大小不等的韌窩;但是在大部分韌窩坑洞里面分布有許多大小不等的圓形顆粒狀物質(zhì),小的有幾微米,大的直徑達(dá)φ30 μm。從圖中還可看到這些均勻不一的圓形顆粒狀物質(zhì)與基體之間幾乎沒有結(jié)合層,很容易脫落。這些圓形顆粒狀物質(zhì)應(yīng)該為冶煉過程中產(chǎn)生的夾雜物或第二相粒子,粗大的圓形顆粒狀物質(zhì)也有可能是在后續(xù)的加熱過程中由小顆粒聚集長大而成。一般來說鋼中存在一些夾雜物或第二相粒子是正常的,韌窩的底部都存在夾雜物或第二相粒子,但如此粗大、數(shù)量又多,且聚集存在卻又是不正常的,它破壞了基體的連續(xù)性,會降低鋼的強度和韌性。
圖7為圖6所示裂紋放大組圖。圖7(a)很清楚地顯示出裂紋源、裂紋擴(kuò)展方向等信息。在裂紋源處,可看到一個大小約為50 μm的顆粒團(tuán)夾雜物,而且該區(qū)域光滑,說明該處受力時首先產(chǎn)生裂紋,但并未完全失效,在經(jīng)歷了二次或多次受力磨損后才形成裂紋。對顆粒團(tuán)夾雜物進(jìn)行能譜成分分析,見圖8,從能譜圖的半定量元素分析可以得出(見表4):該顆粒團(tuán)S元素含量很高,而且出現(xiàn)有Si元素,可與Mn、Fe、C等元素組成MnS及硅酸鹽夾雜物;夾雜物作為鋼件缺陷本身就是應(yīng)力集中源,在熱處理過程中夾雜物區(qū)域產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力,在受力情況下很容易萌生裂紋。
(a)10×;(b)100×;(c)500×
(a)100×;(b)500×
(a)位置1;(b)位置2
表4 能譜分析檢測結(jié)果
該倒檔齒輪失效的根本原因在于:齒輪本身有大顆粒夾雜物冶金缺陷存在,成為材料的裂紋源;而材料中大量存在粗大不均勻的圓形顆粒狀夾雜物降低了材料的強韌性,使得齒輪的綜合力學(xué)性能下降,在循環(huán)沖擊載荷的作用下發(fā)生斷裂失效。