越野车后桥主动锥齿轮螺纹断裂分析
我公司是生产汽车前、后桥主、从动齿轮的专业化公司，在2011年3月份，出现了一套齿轮在使用过程中主动齿轮（轴）螺纹断裂的现象，现就该齿轮轴的断裂原因进行分析。1齿轮副情况该越野车行驶时传动轴脱落，经检查发现主减速器主动锥齿轮固定螺母外螺纹断裂（见图1），发生故障时行驶里程10800km。该主动齿轮轴选用20CrM
Ti钢制造，工艺流程：锻造毛坯→正火→机械加工→渗碳淬火→回火→抛丸→螺纹M20×15高频退火→研磨中心孔→校直→精磨→配对研齿→成品检验后发往客户装配到差减壳内。该齿轮轴的热处理技术要求为：渗碳层深10～14mm，碳化物、马氏体、残留奥氏体级别为1～4级，表面硬度58～64HRC，心部硬度32～45HRC，心部无明显铁素体。通过郑州机械研究所强度中心故障诊断和失效分析专家张石山（教授级高工）老师的指导，对该断裂的主动齿轮轴进行了分析，并找出了引起断裂的原因。2断口分析螺纹M20×15前端第五扣位置正是螺母前第一扣的位置，裂纹起源环形带内约80°×1～2mm（见图2）。裂纹源有三个位于螺纹根部，受力时正是负荷最高的牙，应力集中（升高）最大位置的3～4倍。源区（源3已在扭转
f扩展区边缘）主要由拉应力或弯曲应力叠加一定的剪应力生成，放射状纹理由螺纹根部向中心发展1～2mm，而后左旋以25°角方向扩展（螺旋角）。形成长120°×1～2mm环带（剪应力、扭矩逐步上升），带内人字型椎塑变纹理指向裂纹源区，距外圆上有01mm×8mm的小剪切唇（见图3）。这些现象充分说明裂纹扩展的速度很快（比如一次性扩展），这正是剪应力（扭矩）增大的结果（扭转断裂）。从约200°×1～2mm环带向内，属于快速断裂区，面积约80，中间小台阶高约05mm，系瞬间扭断，最后合成台阶高7mm（见图4），裂纹深入台阶底部约12mm，破坏总周期较短。另外，对螺纹底部及花键根部做了显微检查，同时又对花键的横剖面进行了金属清洗剂水溶液浸泡和酸洗，在工具显微镜下放大100×和400×进行观察，其根部圆角呈银白色，未见宏观裂纹，同时也未见酸洗裂纹。3金相及硬度由于该主动齿轮轴材料为20CrM
TiH，经整体渗碳（含螺纹）淬火回火，而后螺纹表面进行退火。退火后表面硬度要求为32～45HRC；渗碳层要求为09～13mm，经检测该断裂的螺纹表面硬度为355HRC、365HRC、36HRC。其表面金相组织为索氏体（S）组织，该组织属退火组织。该螺纹心部硬度（距螺纹表面5mm处）为22HRC、25HRC、255HRC，心部硬度偏低r