输入花键轴失效分析(书)(1)

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1、桥间差速器壳输入花键轴失效分析安阳钢铁集团公司1中国重汽集团济南桥箱公司2马　喆1韩树2甘春瑾1董文玲11．概况42CrMo钢制汽车用桥间差速器壳在装车使用行驶2300～5277km时，输入花键轴部位连续出现多起早期断裂现象。该零件处理工艺为锻造成形－正火（预先热处理）－调质处理－表面中频感应加热淬火。该批花键轴采用880～920℃连续加热淬火，喷射聚合物淬火剂冷却，然后经180℃×2h回火处理。根据产品设计要求，花键轴表面中频感应淬火后，淬硬层深3.2～5.2mm，淬火区的范围从花键轴前端至R1.6过渡圆角及φ74轴端面、轴肩（见图1），回火硬度≥54HRC，花键轴前端留有3～

2、5mm的过渡区。由于该批零件断裂位置及断口形态均极为相近，选择其中一个断裂花键轴进行了失效分析。断裂部位发生在花键轴花键末端过渡区，距花键轴端面80mm处，断口较平，垂直于轴向方向，断裂前断口附近发生明显塑性变形，花键出现约15°的扭转。图1花键轴断裂部位示意图2．试验结果及分析2．1试验方法及要求按QC/T502－1999《汽车感应淬火零件金相检验》要求，零件经感应淬火后淬火组织按马氏体针叶大小分为10级，其中3～7级为合格，4~6级为理想组织。按照GB/T8539－2000《齿轮材料及热处理质量检验的一般规定》，要求其差速器壳金属基体组织均匀细致、纯净，带状组织≯2级。按照G

3、B/T10561－1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》要求脆性夹杂≤3级，塑性夹杂≤3级，两者之和≤5.5级。2．2试验结果断口附近取样化学成分分析结果符合42CrMo钢的技术要求。表1为断裂花键轴表面硬度测试结果。由表1可见，在花键末端断口附近存在一个明显低于其它正常淬硬层硬度的低硬度区。表1花键轴表面硬度测定结果距轴端距离/mm3550737690硬度HRC54.055.047.044.554.5金相检验结果发现该花键轴基体内有少量点状氧化物夹杂（1.5级）。淬硬区内除花键末端外，淬硬层分布较均匀，硬化层深5mm。淬硬层组织为细针状马氏体，其级别为5级。在断口附近的硬化层

4、深度明显减少，其分布如图2a。在硬化层深度严重不足处发现有垂直于轴向分布的裂纹，裂纹细长且周围无脱碳现象，组织为正常的细针状马氏体，见图2b。花键轴心部为粗大回火索氏体和极少量铁素体(图3a)，并伴有严重的带状组织(图3b)，其级别为3.5级。(a)(b)图2断口处硬化层分布（a）裂纹显微组织(b,×100)(a)(b)图3花键轴心部显微组织（a）粗大组织×500（b）带状组织×1003.结果讨论与分析（1）邻近效应的影响该花键轴采用圆环感应器进行连续淬火，即从φ74轴肩处（靠近φ60轴端）开始连续移动并加热至花键轴前端。当加热经过花键轴末端时，花键右端的光轴相对键槽底出现直径突

5、变，使感应器与工件间的间隙发生变化。花键右端的光轴直径比键槽底径大，此处与感应器间的间隙和键槽底径与感应器间的间隙相比相近甚至更小。由于邻近效应，该处磁导率相对较高、磁阻小，磁力线密度仍高于相邻的键槽底。当感应器通过光轴时，光轴仍“拉住”磁力线不放，致使光轴继续加热升温，甚至过热。当感应器离开光轴的距离大于感应器内表面与花键键槽底径表面的距离时，穿过键槽的磁阻小于穿过光轴的磁阻，磁场立即从光轴处跳跃到略离开花键末端，即出现“磁场跳跃”，在花键末端产生一个磁场强度低谷，致使光轴过度加热，而花键末端加热不足，硬化层减薄，出现花键过渡段软带问题，将大大降低工件的静扭转强度和扭转疲劳寿命

6、。（2）带状组织的影响　花键轴基体内带状组织达3.5级，使力学性能产生各向异性，即沿着带状纵向的强度高，韧性好，横向的强度低，韧性差。此外，有带状组织的工件热处理时，易产生畸变，且使得硬度不均匀。淬火前存在带状组织，在淬火的加热过程中，不可能全部消除，淬火后残余的带状组织，会引起零件较大的组织应力，甚至导致开裂。（3）显微组织粗大的影响　该花键轴基体组织不仅有较严重的带状偏析，且回火索氏体较粗大，这主要是由于在调质过程中加热温度过高或保温时间过长，奥氏体晶粒明显长大，在快速冷却下马氏体针叶就变得粗大，正常回火后虽然硬度在正常范围内，但组织中的索氏体组织粗大，并保持原马氏体位向，在

7、一定程度上也会影响零件的力学性能和使用寿命。4．结论汽车桥间差速器壳输入花键轴的早期失效原因是：受邻近效应的影响，经表面中频感应淬火的花键轴末端表面局部硬化层深度不足，同时基体内存在严重带状组织，并且轴心部的调质组织过于粗大，这些因素均严重降低了花键轴静扭转强度和扭转疲劳寿命，最终导致零件扭转剪切断裂。5．改进措施（1）改进设备中频感应淬火时，设备控制系统采用PLC可编程控制器替代过去的逻辑电路，并配备变频器控制产品工进速度。针对差速器壳不同部位采取不同的感应加热方式，通过合理的