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矩傳給行星齒輪，實現轉矩分配，從而使車輪實現差速運轉，在運行過程中，行星齒輪軸承受扭轉力和彎曲力。

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，變速箱出現異響，立即停止試驗，拆箱檢測后，發現差速器殼體破損，行星齒輪軸斷裂。行星齒輪軸材料為彈簧鋼42CrMo，材料執行標準GB/T 3077《合金結構鋼》。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生異響，后進行拆箱分析發現行星齒輪軸斷裂，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，由外向內擴展，終端區位于軸中心區域。

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《合金結構鋼》的技術要求。

 

表1  行星齒輪軸的材料化學成分（質量分數）（%）

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要求，但表面疏松達到4級，不符合技術要求，這直接導致零件表面強度下降，在使用過程易產生裂紋，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受旋轉扭力，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分別為擴展區和瞬斷區SEM形貌，主要表現為解理斷口，表明零件受到外力較大，斷裂速度快。

圖5 斷口擴展區SEM形貌 

 

圖6 斷口瞬斷區SEM形貌

圖7、表3是裂紋源能譜檢測位置和結果，其中譜圖1、2、4檢測部位為氮化化合物層區域，其中譜圖1和譜圖4區域可見明顯的大量孔隙，對其進行能譜分析，該區域的氧含量明顯大于譜圖2和譜圖3區域，且z靠近表面的譜圖4區域，含氧量z高，遠超過其他區域，表明零件氮化后表面疏松區域被氧化，降低表面強度和疲勞性能，導致零件試驗過程中發生斷裂。 

圖7 斷口裂紋源能譜檢測位置

表3  能譜檢測結果（質量分數）   （%）

譜圖	在狀態	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，并進一步向中心區域擴展導致完全斷裂。

 

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