发动机传送轴齿轮断开裂缝无效剖析

　　1某发动机试车过程中，累计工作66min，进行第三次分解检查，发现传动轴齿轮有两个齿发生了断裂，其余各齿均有不同程度的磨损，与其相配合的片齿轮未发现任何损伤。传动轴的热处理工艺为调质处理，机加工后表面离子渗氮，要求的氮化层深度为0.2mm0.3mm，表面硬度不小于750HV0.3.与其匹配的片齿轮的工艺过程为机加工后表面进行碳氮共渗，要求表面硬度在700HV0.3800HV0.3，齿面及槽宽部分的渗层深度为0.25mm0.4mm，其余部分为0.2mm0.45mm.

　　本文对传动轴和片齿轮的齿形、齿向等参数进行了检查，对传动轴齿轮断齿的宏微观特征进行了观察与分析，并对传动轴和片齿轮的金相组织、渗层深度及其表面、心部的显微硬度进行了检测确定了传动轴齿轮的断裂性质，并对其产生原因进行了分析。

　　2试验方法采用JSM-5600扫描电镜观察传动轴的断口，在传动轴的断口附近切取试样，用奥林巴斯体视金相显微镜观察其显微组织，采用DM-400型显微硬度计检测传动轴和片齿轮表面渗层的硬度及深度。

　　3试验结果3.1断口宏观观察传动轴的外观形貌如所示。可以看到，传动轴全部齿磨痕的损伤面积及位置基本相同，均在和片齿轮相接触的啮合面上。传动轴上有两个齿发生了断裂，其断裂发生在与片齿轮相接触的啮合面根部，断口表面较粗糙，呈灰色。个别未发生断裂的齿存在明显的塑性变形特征。

　　3.2断口微观观察将传动轴发生断裂的两个齿分别编号为1断口和2断口，在扫描电镜下对其断口的微观形貌进行观察。1断口和2断口的微观形貌十分相似，在此，仅详细介绍1断口的微观形貌。

　　1断口形貌如所示。断口的低倍形貌如可见，断裂从齿的一侧起源向另一侧扩展，断口分为源区、扩展区和瞬断区。源区的高倍形貌如b所示，源区磨损严重，源区附近齿的侧表面存在剥落后形成的凹坑特征;在扩展区内可见明显的放射棱线及疲劳弧线特征，断口扩展区的疲劳条带特征如c所示，表明该断口的断裂性质为疲劳断裂;瞬断区形貌d，主要为沿晶断裂特征。

　　在1断口和2断口相邻的齿表面存在裂纹，裂纹的走向及出现位置与已经断裂的两个齿基本相同。未发生断裂的齿表面的啮合痕迹明显，其与加工刀痕相邻位置的形貌如所示，表明啮合面受到的压应力较大。

　　在断裂齿的相邻几个齿的顶部发现多处剥落后形成的凹坑特征，凹坑的高倍形貌，凹坑内可见典型的疲劳弧线特征，由此判断，这些凹坑均是表面发生了接触疲劳导致剥落掉块后形成的。

　　3.3渗层深度及显微硬度检查传动轴和片齿轮的渗层深度及显微硬度的检以看出，传动轴的渗层表面硬度为750HV0.3，处于图纸要求的下限，有效渗层深度低于图纸的要求。与之匹配的片齿轮渗层表面硬度已超出了图纸要求的上限800HV0.3，渗层深度为0.68mm，超出了图纸的要求。

　　3.4组织检查在传动轴的径向方向取样并制取金相试样，用4的硝酸酒精腐蚀后观察金相组织，其基体组织正常，为回火索氏体，组织未见过热、过烧等组织缺陷，其表面渗氮层的金相组织如所示，可清晰的看到白色氮化物，根据GB11354-1989钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验标准中的图片对其评级，可知其脉状氮化物的级别为35级。

　　取片齿轮的齿做金相试样，用4的硝酸酒精腐蚀后观察金相组织，基体组织为马氏体组织，组织未见过热、过烧等组织缺陷，表面碳氮共渗层的形貌如所示，表层可见白色粒状碳氮化合物。

　　4分析与讨论从传动轴的微观断裂特征可知，在断口扩展区内存在明显的放射棱线、疲劳弧线及疲劳条带特征，所以传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳断裂是齿轮类零件的一种常见的失效模式，主要与齿轮工作过程中的受力大小和自身的疲劳抗力有关。传动轴发生弯曲疲劳断裂与这两个因素有关。

　　一方面，从传动轴自身的疲劳抗力角度分析，传动轴的齿与片齿轮的齿共同组成一对相互啮合的工作副，对于这类工作副来说，两个零件间的硬度匹配是十分关键的因素。零件表面的硬度是反映其抗接触疲劳能力高低的一个重要指标，如果两个零件间的表面硬度相差很大，会导致硬度较低的一方容易发生接触疲劳剥落，并在表面形成许多凹坑。从试验结果看，传动轴齿的表面硬度偏小，基本处于图纸要求的下限，有效渗层深度也较低;片齿轮的表面硬度超过了图纸要求的上限，表面硬度偏高，有效渗层深度超过了图纸要求。

　　这就导致传动轴齿与片齿轮的表面硬度差增大，二者之间的磨损加重，传动轴齿与片齿轮啮合的区域表面发生了接触疲劳剥落，传动轴齿发生断裂这一现象证明了这一点。接触疲劳剥落产生凹坑后，在坑底必然会形成较大的应力集中，使齿所受的载荷增大，进而疲劳裂纹发生扩展甚至断裂。

　　因此，传动轴齿的表面硬度偏低，而片齿轮的表面硬度偏高是导致此次传动轴发生疲劳断齿的主要原因另一方面，传动轴齿的表层出现了连续白色脉状氮化物和白色网状氮化物，按GB11354-1989钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验标准对传动轴的渗氮层氮化物进行评级，其级别为35级，当渗层中出现网状氮化物，它将导致晶间脆性剧增，使齿表面易于产生剥落现象，这一点也是促进传动轴齿表面提早发生接触疲劳剥落的一个重要因素。

　　综上所述，传动轴齿发生弯曲疲劳断裂，其断裂原因主要是传动轴齿的表面硬度和片齿轮齿的表面硬度不匹配，传动轴齿表面渗层出现的连续网状氮化物是促进其发生疲劳断裂的另一个重要影响因素。

　　5结论

　　1)传动轴齿的断裂性质为疲劳断裂;2)传动轴齿表面提早出现接触疲劳剥落是导致其疲劳断裂的直接原因;3)传动轴齿表面硬度偏低和片齿轮表面硬度偏高是导致传动轴齿表面发生接触疲劳剥落的主要原因;4)传动轴齿表面渗层组织出现的35级白色脉状氮化物是促进其发生接触疲劳剥落的一个重要影响因素;5)建议完善传动轴和片齿轮的表面处理工艺参数，加强控制工艺过程。