变速器输出轴断裂分析

张志强 王福平

摘 要：利用元素成分检测、金相检测、硬度检测、SEM分析和EDS分析等方法， 对材料为20CrMnTiH的某车型变速器输出轴进行失效分析。 结果表明， 原材料晶界Cr、Mn元素偏析是变速器输出轴脆性沿晶断裂的根本原因。

关键词：变速器；输出轴；断裂；偏析

1失效情况

某车型在新疆行驶时发生变速器输出轴断裂事件，断裂时的行车里程为2000公里，输出轴材料为20CrMnTiH，经淬火-回火-抛丸热处理工艺，技术要求：表面硬度HRC58～64，心部硬度HRC30～43。

2 检测

2.1 断口形貌

对输出轴断口进行分析，发现断裂位置在输出轴变径倒角处，锻造时变形量较大（见图1）。扫描电子显微镜下观察其断口形貌，整个断口呈脆性沿晶断裂特征（见图2）。

图1 宏观外形

图2 断口形貌

2.2 金相检测

将输出轴沿轴向剖开，磨抛，在未经腐蚀下进行观察[1]，发现断口附近存在严重的晶界偏析（见图3）。在扫描电子显微镜下观察，与金相观察试样状态相同，不仅可以清晰的看到晶界偏析，还发现偏析的位置已出现开裂（见图4）。

图3 偏析（光学显微镜）

图4 偏析（扫描电子显微镜）

对输出轴样块腐蚀后进行观察[1]，表层组织为针状马氏体，心部组织为板条状马氏体+残余奥氏体，心部马氏体组织转变不充分（见图5）。

图5 微观组织

2.3 EDS分析

选取偏析位置进行EDS面扫描分析，发现偏析处Cr、Mn聚集，含量偏高（见图6）。

图6 EDS面扫描分析

2.4 成分检测

取输出轴断口附近试样进行化学成分检测[2]，结果如下：

2.5 硬度检测

截取输出轴中裂纹横截面与纵截面进行洛氏硬度检测[3]，与非裂纹区横截面硬度进行比较，结果见表2。

3 失效分析

本案变速器输出轴的化学成分满足標准要求，但Cr、Mn等合金元素在原奥氏体晶界存在严重的偏析。偏析是在冶金铸造过程中形成，易产生脆性相，弱化晶界，降低材料的综合力学性能和后续锻造性能，极易产生裂纹[5]。本案输出轴断裂位置在变径处，锻造时变形量较大，弱化的原奥氏体晶界极易在变形过程中开裂，如图3、图4所示，形成锻造裂纹。在服役过程中，输出轴变径处晶界持续开裂，并沿着原奥氏体晶界迅速扩展，最终导致本案变速器在服役很短的时间内即出现失效。如图2所示，断口整体表现为脆性沿晶断裂特征。

同时，输出轴硬度偏下限，直接导致变径位置锻造后硬度不合格。结合变径位置金相组织观察推断热处理过程中马氏体转变不充分是造成这一现象的主要原因。

综上所述，原材料晶界Cr、Mn元素偏析导致锻造裂纹，是本案变速器输出轴脆性沿晶断裂的根本原因；其次，输出轴热处理后硬度偏下限，也降低了零部件的综合力学性能。

4 改进建议

（1）加强冶金过程中的工艺控制，提高原材料的品质，控制原材料中合金元素的偏析，提高原材料的塑性和韧性。

（2）加强热处理过程中的工艺控制，适当改善淬火时间和淬火温度，提高输出轴淬火后的硬度。

参考文献

[1] GB/T 13298-1991 金属显微组织检验方法[S]

[2] GB/T 3077-1999 合金结构钢[S]

[3]GBT230.1-2009金属材料洛氏硬度试验 试验方法[S]

[4] GB/T 9450-2005 钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核[S]

[5] 刘俞铭 金属热处理常见工艺技术五百种与质量缺陷分析防治及最新标准应用、常用参数速查实用手册[M] 北京：北方工业出版社 2006.1