农用汽车后桥EQ1060主动齿轮螺纹断裂分析_陈天翔 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言齿轮作为传动系统中的核心部件，对车辆的整体运行和性能起了决定性的作用，而齿轮传动包括变速箱齿轮和后桥差速器两部分，差速器部分由于运行的环境和载荷大两方面原因，容易造成齿轮失效。在齿轮失效的原因分析方面，姜涛等1采用宏观形态分析和微观的组织观察、硬度测试和材料的组织分析，得出引起某型号汽车半轴早期疲劳断裂是感应加热烧伤组织引起熔融的凹坑所致；杨红星等2采用光学显微镜、直读光谱仪及电子扫描等手段，对某型号钢螺纹处断裂现象进行了分析，发现是氢在生产过程中的入侵未能及时消除导致了材料的脆性断裂；刘晓光等3也采用了宏观和微观的分析手段对花键轴的断裂原因进行了分析，发现是由于端面断裂部位的应力过分集中导致了轴的断裂。上述实例，通过分析失效的原因，进行化学成分的分析和显微组织分析的方法，对后期的生产过程中提高齿轮的质量和相关的装配工艺具有重要的指导意义。本文针对某主动齿轮在装配过程中出现的螺纹处断裂现象，对齿轮进行了失效原因分析，为后续生产过程中解决类似问题提供参考。1 来样情况分析某公司生产的 EQ1060 后桥主被动螺伞齿轮发杭州汇同车桥有限公司装成 1060 后桥的减速器总成后，发现有个别主动齿轮的螺纹从根部断裂的情况，此时已有部分装好的后桥发到长沙福田汽车厂装车，在汽车厂装配线上也发生主动齿轮螺纹断裂情况，计有 12 根断纹事件。为查找断裂原因，受厂方委托，从现场拆除 2 根主齿编号为 07QC1-1016 和 07QC1-1240 进行分析。主动齿轮螺纹处的硬度要求退火后为 30-43HRC，未退火处的硬度要求为 58-65HRC。doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.011农用汽车后桥 EQ1060 主动齿轮螺纹断裂分析陈天翔1，陈宏2，何玉林2（1.225000 江苏省 扬州市 江苏省特种设备安全监督检验研究院扬州分院；2.223003 江苏省 淮安市 江苏财经职业技术学院 智能工程技术学院）摘要 采用宏观及微观检测进行形貌观察、化学成分分析、金相检测，对 EQ1060 主动齿轮螺纹断裂情况进行了分析。结果表明，由于退火时间过短，加热温度低，使得花键与螺纹根部为热影响区，导致该处强度下降，脆性加大，当外力超出其材料强度极限时造成断裂。关键词 EQ1060；齿轮螺纹；断裂 中图分类号 U463.218；TH132.429 文献标志码 B 文章编号 1673-3142(2023)03-0053-03引用格式：陈天翔,陈宏,何玉林.农用汽车后桥 EQ1060 主动齿轮螺纹断裂分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):53-55.Analysis of cracks in drive gear s thread of“EQ1060”used in agricultural truck rear axleCHEN Tianxiang1,CHEN Hong2,HE Yulin2(1.Yangzhou Branch of Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province,Yangzhou 225000,Jiangsu,China;2.Department of Mechanical&Electronic Engineering,Jiangsu Vocational College of Finance&Economics,Huaian 223003,Jiangsu,China)Abstract In order to find out the reason for the drive gears cracks,the macro characteristics,micro-morphology,microstructure of the cracked gear s thread were observed and analyzed.The composition and hardness were measured.The results show that the spline and thread s root become heat-affected zone because of the short annealing time and the low heating temperature,causing its strength decreases and its brittleness increases.The cracks happened when the external force exceeded its material s limited strength.Key words EQ1060;gear s thread;crack基金项目：淮安市自然科学研究项目（HABZ201922）收稿日期：2022-01-1554农业装备与车辆工程 2023 年2 材料化学成分检验分析材料的化学成分，对断裂的主动齿轮经看谱检验和火花鉴别，属于 20CrMnTiH 钢，并用DF100 直读光谱仪进行化学成分检验，结果见表 1。各元素成分符合 SAEJ1268 规定的成分要求4，说明齿轮材料合格，且符合图纸设计要求。表 1 齿轮化学成分（质量分数,%）Tab.1 Chemical composition of the gear(mass fraction,%)元素国标实测值元素国标实测值C0.170.230.21Cr1.001.351.23Si0.170.370.33Ni 0.0300.026Mn0.801.150.98Cu 0.0300.028S 0.0350.030Ti0.040.10P 0.0350.0273 硬度检测由表2可知，通过对断裂主动齿轮的表面硬度、花键轴中心硬度测定，可知硬度符合要求，对花键尾部测10次后取平均值（图纸要求的为螺纹硬度），也符合要求。表 2 硬度检测（HRC）Tab.2 Check of hardness（HRC）检测部位 表面花键尾部平均值 花键轴中心技术要求 58-6430-35（图纸为螺纹硬度）29-46齿心部1 0166449，49，48，47，48.5，47，49，49，49，50.548.632-341 2406448.2，46.5，46，50，49，46，49，46.5，48，47.547.74 断口分析齿轮的外观形貌如图 1 和图 2 所示，材料为20CrMnTiH 钢。加工工艺为：下料锻造热处理粗加工低温回火精加工。螺纹部分的热处理为中频感应加热退火（退火温度 700 左右，退火时间为 50 s）。由图2可以看出，断口在螺纹与花键根部断裂，断口没有旧的裂纹痕迹和疲劳裂纹的特征，没有明显的塑性变形特征。裂纹从图 3 实物的左上角位置向右呈凸出弧形式断裂，是典型的脆性断裂断口5。螺纹处的表层断口的形貌特征为韧窝，稍往里面的次表层为沿晶断裂，放射区表现为解理断裂。通过咨询生产工艺发现，整个齿轮渗碳并淬火后，对螺纹处进行了中频退火，以降低螺纹不渗碳层的硬度，提高螺纹部位的韧性，如果渗碳层的硬度控制在有效范围内，则螺纹处所受的冲击载荷所引起的断裂不应是沿晶断裂。根据这一原因，可以判断齿轮螺纹处有退火不良而形成的马氏体组织，这一不良的马氏体组织的晶格结构为体心立方晶格，为含碳量过饱和的固溶体，经中频退火后，马氏体发生分解，组织转变为回火索氏体组织，因两者的比容不同，马氏体的比容大，这样便导致了螺纹处的表层组织出现了相对较大的拉应力。这一内应力和本身装配中的拉应力和车辆运行过程中的应力发生叠加，从而更加容易形成冲击断裂现象。5 断裂螺纹中频退火宏观检查花键在传递动力过程中，具有承载能力强、互换性好、导向性好等特点，应用相对广泛。由图 4可以看出，螺纹中频退火区只有螺纹长度的 2/3，而螺纹根部未能退火，即使退火，螺纹中心也没能退火，从而说明螺纹中频退火加热不够或加热时间太短，或加热部位不正确。6 金相检测扫描电镜能更加直观地对失效断齿部分进行相关的微观组织分析，从而可以从微观的角度对宏观的失效进行机理分析。在失效齿轮上，采用线切割将断口部分切下，通过扫描电镜，可以更直接地图 1 EQ 主齿螺纹断裂情况Fig.1 EQ main drive gear s crack condition图 2 断口情况Fig.2 Fracture condition图 3 螺纹根部尖角Fig.3 Sharp corner of thread root图 4 退火情况Fig.4 Annealing condition55第 61 卷第 3 期分析材料的微观组织成分，明晰材料的失效机理。对花键螺纹进行取样，取断裂的花键部分，进行横向剖开，经 4%硝酸酒精侵蚀后，用 Polyvar-met 光学显微镜进行组织观察，镜像下结果如图5所示。由图 5 可以看出，花键端面渗层组织为隐针状马氏体，花键中心组织为低碳马氏体+索氏体，退火区螺纹尖角处组织为马氏体+残余奥氏体+碳化物，退火区螺纹沟渗层组织为隐针状马氏体，渗碳层过渡区组织为马氏体+屈氏体，螺纹心部组织为低碳马氏体+索氏体。7 断裂原因分析通常情况下，齿轮表面经过渗碳淬火后的组织一般为隐晶马氏体，其硬度值也相对较高。对齿轮进行磨削加工过程中，当齿轮表面渗碳时的淬火层的温度大于 350 而小于 727 时，马氏体的组织有可能转变成硬度相对较低的回火索氏体或屈氏体组织，一般称之为回火烧伤组织。如果磨削加工过程中的温度大于 727，隐晶马氏体则会转为成奥氏体组织。如果再不对齿轮进行淬火冷却，则齿轮表面的热处理如同退火的效果。进行表面渗碳时，渗碳层的硬度将急剧降低，此刻的组织烧伤称之为退火烧伤。如果磨削加工过程中的温度高于相变温度 AC3，则隐晶马氏体转变为奥氏体组织，若此步骤冷却效果好，则会在渗层表面产生二次淬火的现象，得到二次淬火后的马氏体组织，此马氏体组织的硬度远远高于回火后的马氏体组织。综上通过对齿轮的硬度检测、金相检测以及化学成分分析，得出齿轮失效的原因主要如下：（1）由于退火时间过短，加热温度低，花键与螺纹根部为热影响区，导致本来渗碳淬火形成的压应力转变为有害的拉应力，使得该处强度下降，回火到 HRC50 左右，为第一类回火脆性区，也造成了该处脆性加大6。（2）退火时间过短，退火后工件自身温度加上 3 月份温度较低，使得退火加热后再次淬火又增加了螺纹的淬火应力。（3）由图 3 可以看出，右上角的花键端面与螺纹形成大约 100的尖夹角，形成应力集中，在图 4 可隐约看出该处出现裂纹，这里的裂纹与对边裂纹同时产生，只是对边先断裂，外力得到释放，所以该处裂纹未能再扩展而保留下来。并在装配过程中产生的装配应力和服役应力共同作用下，产生了断裂现象。8 结论齿轮螺纹断裂主要原因是螺纹中频退火时间过短，温度偏低，螺纹根部未能完全退火，其脆性很大，抗拉强度较低，当外力超出其材料强度极限时造成断裂；螺纹与花键根部的夹角无过渡圆角，使得应力过分集中，也促使裂纹的产生。通过工艺改进，改善螺纹部位的组织，提高心部的硬度，能够提高零件的强度。参考文献1 姜涛,欧阳康,张兵.40Cr 钢汽车半轴断裂失效分析 J.金属热处理,2019,44(10):187-1912 杨星红,梁宇,王卓.10B21 钢螺纹轴断裂失效分析 J.机械工程材料,2016,40(8):107-1103 刘 晓 光,王 艳 丽.花 键 轴 断 裂 失 效 分 析 J.热 加 工 工艺,2018,47(15):256-257,260.4 贾舒,候婷等.变速器副箱减速齿轮断裂失效分析 J.热加工工艺,2014,43(20):227-228.5 何玉林,章育华.拖拉机