Fracture Analysis of PRIM-SHAFT In Transmission Case
ZHANG Xiao-rong， Chen Pei-lei
（Vehicle Engineering and Engineering Laboratories，Chery Automobile CO.，Ltd.，WuHu 241009，china）
Abstract: During the bench test of a certain type of transmission case,one prim-shaft was fractured. We analyzed by means of fracture , metallographic,chemical composition and so on.The results showed that the prim-shaft has previously forge pucker, that made the prim-shaft fracture. And advised the manufacturer to enhance the forge technique and the nondestructive test,through these methods to prevent the forge pucker and ensure the product quality.
Key words: oxidation decarbonization ； forge pucker；fatigue fracture.
輸入帶輪軸為自動變速箱的關鍵零部件之一，它由可動部分和固定部分組成，其工作面為直線錐面體，和輸出帶輪軸一起，在控制系統作用下，可動部分依靠鋼球——滑道結構做軸向移動，可連續的改變半徑，給中間夾持的鋼帶以擠壓應力，從而傳遞動力，實現無極變速箱的自動變速傳動［1］。某CVT變速箱進行420H臺架耐久試驗，試驗進行約200H時，發現不能正常傳遞動力，檢查發現變速箱輸入帶輪軸斷裂。該變速箱已量產多年，質量一直很穩定，售后從未出現過輸入帶輪軸斷裂事例，對這次斷裂，公司非常重視。輸入帶輪軸選用材料為20CrMnTiH，滲碳淬火處理，為查清斷裂原因，特對斷裂的失效件進行了理化分析，以便進行后續的改進，預防斷裂再次發生。
1、 理化測試
1.1、斷口分析
輸入帶輪軸宏觀形貌見圖1，失效件斷裂位置在圖1箭頭所示處，該處為工作輪和軸桿交接的R附近油孔處，斷口見圖2。宏觀觀察，斷口分三個區域，分別稱A、B、C區域。最表面部分的為A區域斷口，該部分斷口斷面稍傾斜，與軸線成一定角度，顏色為呈灰黑色的氧化色，由表至里的深約6mm；中間部分的B區域斷口斷面上有明顯的貝紋線，為裂紋擴展區。依據貝紋線的弧線方向分析，斷裂起源于斷面上的灰黑色A區域；C部分斷口為瞬斷區，與裂源相對，斷面粗糙，有金屬光澤。將斷口置于FEI的Inspect S電子顯微鏡下放大觀察，A區域斷口（裂源區域）微觀形貌見圖3，大部分斷面由表至里有氧化物覆蓋，微觀形貌難以觀察，見圖4，僅有極少部分最表面一層（深度約0.3mm）斷面微觀形貌為沿晶，見圖5；B區域斷口裂紋擴展區有疲勞輝紋，見圖6；C區域瞬斷區約占整個斷面面積的1/3，其微觀形貌為以扇形、河流花樣為主的準解理，見圖7。
綜合斷口分析結果認為，輸入帶輪軸為彎曲應力導致的疲勞斷裂。
1.2、顯微組織
1.2.1、垂直斷口裂源處縱向取樣做顯微組織分析，拋光態下置于ZEISS AXIO Imager.Aim金相顯微鏡下觀察，發現由表至里約6mm的裂源區域斷面表面有顆粒狀氧化物，見圖8；用4%硝酸酒精溶液腐蝕后裂源區斷面由表至里約0.8mm未發現明顯脫碳，該深度正好和滲碳層深度較吻合，其余裂源區斷面表面有脫碳，見圖9。表面滲層組織為回火馬氏體+少量殘余奧氏體，見圖10，心部組織為板條馬氏體+貝氏體，見圖11。
1.2.2、失效件基體上非金屬夾雜物按照GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準》的A法檢驗，其測定結果為A0，B0，C0，D1.5。
1.3、硬度及硬化層深度
技術要求：表面硬度≥650HV，滲碳層深度≥0.7mm 。
實測失效件表面硬度724.6HV，有效滲碳層深度為0.86mm。符合技術要求。
1.4、化學成分（%）
該件選用材料為20CrMnTiH，在距斷口約20mm處的樣件本體上取樣做化學成分，其化學成分檢測結果見表1
依據GB/T5216-2014《保證淬透性結構鋼》標準，失效樣件本體化學成分符合標準中20CrMnTiH材料要求。
1、 分析與討論
2.1試驗結果顯示，失效輸入帶輪軸為疲勞斷裂，其化學成分、硬度和硬化層深度符合技術要求。
2.2、顯微組織分析結果表明，斷面上裂源區域表面有氧化、脫碳，說明該件在裝配前存在原始裂紋。該件的主要生產工藝是：下料——中頻加熱（1100℃±50℃）［2］——鍛造——機加工——正火（950℃±20℃）——碳氮共滲（890℃±5℃）——淬火——170℃-180℃回火。結合整個生產加工及熱處理工藝分析，產生裂紋的環節有鍛造及淬火環節。但如果是淬火裂紋，因其回火溫度低，僅180℃左右，不會造成裂紋表明氧化和脫碳，也即該件在滲碳淬火處理前已經存在原始裂紋，該裂紋應產生在鍛造環節。因該裂紋與零件表面貫通，且與零件軸向成一斜向角度，故該裂紋為鍛造折疊裂紋。鍛造折疊裂紋的形成原因有：鍛造過程中 ，如果某處金屬充填慢，在其相鄰部分均已基本充滿時，該處仍缺少大量的金屬而形成空腔，則相鄰部分的金屬在此處匯合而形成折疊；或者模鍛時，坯料尺寸不合適，打擊速度過快，或某處金屬充填阻力過大都會產生折疊［3］。折疊裂紋產生后，因鍛造過程本身溫度較高，加上后續的正火、滲碳處理過程中高溫均可造成裂紋表面氧化脫碳；裂紋起始端因零件表面滲碳的緣故使裂紋表面增碳，故而未觀察到明顯的脫碳現象。鍛造折疊裂紋的存在，一方面減少了零件的有效承載面積，另一方面造成應力集中，原始折疊裂紋存在處即形成疲勞源，在變速箱試驗過程中，裂紋擴展進而導致輸入帶輪軸早期疲勞斷裂。
3、結論及建議
3.1失效輸入帶輪軸為疲勞斷裂，斷裂的原因是存在原始鍛造折疊裂紋。
3.2建議產品制造商要采取以下措施：
（1）加強鍛造工藝加工過程控制，防止產生鍛造折疊裂紋；
（2）對產品加強探傷檢查，保證出廠產品質量。
參考文獻
［1］ 陳家瑞，汽車構造下冊［M］機械工業出版社2009.2 92-93
［2］ 宋濤等，熱處理技術［M］化學工業出版社2003.1 503
［3］ 王國凡，材料成型與失效［M］化學工業出版社2002.9 145-146
作者：張小榮
（奇瑞汽車股份有限公司試驗和整車技術工程院，蕪湖241009）
