差速器主要由差速器壳体、行星齿轮、半轴齿轮、从动锥齿轮、调整垫片、轴承以及行星齿轮轴等组成，行星齿轮轴的作用是将转矩传给行星齿轮，实现转矩分配，从而使车轮实现差速运转，在运行过程中，行星齿轮轴承受扭转力和弯曲力。

1.情况描述

本文对变速箱进行差速器耐久性试验，检测零部件使用寿命情况。试验测试过程中，变速箱出现异响，立即停止试验，拆箱检测后，发现差速器壳体破损，行星齿轮轴断裂。行星齿轮轴材料为弹簧钢42CrMo，材料执行标准GB/T 3077《合金结构钢》。为保证行星齿轮轴的耐磨性和疲劳强度，本文零件热处理工艺：淬火+回火+表面气体氮化。

2.结果与讨论

（1）宏观分析

变速箱进行差速器耐久性能试验测试过程中发生异响，后进行拆箱分析发现行星齿轮轴断裂，差速器已破损，如图1所示，虚线箭头标识处为断裂行星齿轮轴。图2为轴断口的整体形貌，断裂源位于圆周表面，且磨损严重，由外向内扩展，终端区位于轴中心区域。

图1  失效的差速器总成

图2   行星齿轮轴的断口形貌

 

（2）微观分析

采用能谱分析仪（SPECTRO/LAB LAVM10）对行星齿轮轴进行材料化学成分检测，其检测结果如表1所示，行星齿轮轴材料化学成分均符合GB/T 3077《合金结构钢》的技术要求。

 

表1  行星齿轮轴的材料化学成分（质量分数）（%）

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
实测值	0.396	0.226	0.714	0.017	0.005	1.11	0.204

采用维氏硬度计（FUTURE-TECH/LC-200RB）测量断裂行星齿轮轴的表面硬度、基体硬度，检测前先用标准试块进行校准；对断裂轴的断口进行金相取样，经镶嵌、打磨、抛光、腐蚀后，采用光学显微镜（ZEISS/HAL100）进行显微金相组织检测，结果如表2所示，表面硬度、基体硬度、氮化层深、氮化物和脆性级别等均符合技术要求，但表面疏松达到4级，不符合技术要求，这直接导致零件表面强度下降，在使用过程易产生裂纹，降低零件的疲劳寿命。
表2  行星齿轮轴的硬度和金相组织

图3 表面金相组织（500×）

采用扫描电子显微镜SEM（EVO18）对断口进一步分析，图4为断口裂纹源形貌，表面存在疲劳辉纹（见凸4b白色箭头标识），且疲劳纹是沿着圆周方向扩展，在整个圆周方向上先形成一层裂纹，距表面大约1 mm，主要原因是行星齿轮轴在变速箱内受旋转扭力，且零件氮化后表面形成一层氮化组织，脆性相对基体大。

（a）                                    （b）

图4 断口裂纹源SEM形貌

图5和图6分别为扩展区和瞬断区SEM形貌，主要表现为解理断口，表明零件受到外力较大，断裂速度快。

图5 断口扩展区SEM形貌 

 

图6 断口瞬断区SEM形貌

图7、表3是裂纹源能谱检测位置和结果，其中谱图1、2、4检测部位为氮化化合物层区域，其中谱图1和谱图4区域可见明显的大量孔隙，对其进行能谱分析，该区域的氧含量明显大于谱图2和谱图3区域，且z靠近表面的谱图4区域，含氧量z高，远超过其他区域，表明零件氮化后表面疏松区域被氧化，降低表面强度和疲劳性能，导致零件试验过程中发生断裂。 

图7 断口裂纹源能谱检测位置

表3  能谱检测结果（质量分数）   （%）

谱图	在状态	C	N	O	Si	Cr	Mn	Fe	Tb	总计
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.结语

行星齿轮轴氮化后，表面化合物层疏松组织不合格，试验过程中受到外力，形成裂纹源，并进一步向中心区域扩展导致完全断裂。

 

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