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.
输入带轮轴为自动变速箱的关键零部件之一，它由可动部分和固定部分组成，其工作面为直线锥面体，和输出带轮轴一起，在控制系统作用下，可动部分依靠钢球——滑道结构做轴向移动，可连续的改变半径，给中间夹持的钢带以挤压应力，从而传递动力，实现无极变速箱的自动变速传动［1］。某CVT变速箱进行420H台架耐久试验，试验进行约200H时，发现不能正常传递动力，检查发现变速箱输入带轮轴断裂。该变速箱已量产多年，质量一直很稳定，售后从未出现过输入带轮轴断裂事例，对这次断裂，公司非常重视。输入带轮轴选用材料为20CrMnTiH，渗碳淬火处理，为查清断裂原因，特对断裂的失效件进行了理化分析，以便进行后续的改进，预防断裂再次发生。
1、 理化测试
1.1、断口分析
输入带轮轴宏观形貌见图1，失效件断裂位置在图1箭头所示处，该处为工作轮和轴杆交接的R附近油孔处，断口见图2。宏观观察，断口分三个区域，分别称A、B、C区域。最表面部分的为A区域断口，该部分断口断面稍倾斜，与轴线成一定角度，颜色为呈灰黑色的氧化色，由表至里的深约6mm；中间部分的B区域断口断面上有明显的贝纹线，为裂纹扩展区。依据贝纹线的弧线方向分析，断裂起源于断面上的灰黑色A区域；C部分断口为瞬断区，与裂源相对，断面粗糙，有金属光泽。将断口置于FEI的Inspect S电子显微镜下放大观察，A区域断口（裂源区域）微观形貌见图3，大部分断面由表至里有氧化物覆盖，微观形貌难以观察，见图4，仅有极少部分最表面一层（深度约0.3mm）断面微观形貌为沿晶，见图5；B区域断口裂纹扩展区有疲劳辉纹，见图6；C区域瞬断区约占整个断面面积的1/3，其微观形貌为以扇形、河流花样为主的准解理，见图7。
综合断口分析结果认为，输入带轮轴为弯曲应力导致的疲劳断裂。
1.2、显微组织
1.2.1、垂直断口裂源处纵向取样做显微组织分析，抛光态下置于ZEISS AXIO Imager.Aim金相显微镜下观察，发现由表至里约6mm的裂源区域断面表面有颗粒状氧化物，见图8；用4%硝酸酒精溶液腐蚀后裂源区断面由表至里约0.8mm未发现明显脱碳，该深度正好和渗碳层深度较吻合，其余裂源区断面表面有脱碳，见图9。表面渗层组织为回火马氏体+少量残余奥氏体，见图10，心部组织为板条马氏体+贝氏体，见图11。
1.2.2、失效件基体上非金属夹杂物按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准》的A法检验，其测定结果为A0，B0，C0，D1.5。
1.3、硬度及硬化层深度
技术要求：表面硬度≥650HV，渗碳层深度≥0.7mm 。
实测失效件表面硬度724.6HV，有效渗碳层深度为0.86mm。符合技术要求。
1.4、化学成分（%）
该件选用材料为20CrMnTiH，在距断口约20mm处的样件本体上取样做化学成分，其化学成分检测结果见表1
依据GB/T5216-2014《保证淬透性结构钢》标准，失效样件本体化学成分符合标准中20CrMnTiH材料要求。
1、 分析与讨论
2.1试验结果显示，失效输入带轮轴为疲劳断裂，其化学成分、硬度和硬化层深度符合技术要求。
2.2、显微组织分析结果表明，断面上裂源区域表面有氧化、脱碳，说明该件在装配前存在原始裂纹。该件的主要生产工艺是：下料——中频加热（1100℃±50℃）［2］——锻造——机加工——正火（950℃±20℃）——碳氮共渗（890℃±5℃）——淬火——170℃-180℃回火。结合整个生产加工及热处理工艺分析，产生裂纹的环节有锻造及淬火环节。但如果是淬火裂纹，因其回火温度低，仅180℃左右，不会造成裂纹表明氧化和脱碳，也即该件在渗碳淬火处理前已经存在原始裂纹，该裂纹应产生在锻造环节。因该裂纹与零件表面贯通，且与零件轴向成一斜向角度，故该裂纹为锻造折叠裂纹。锻造折叠裂纹的形成原因有：锻造过程中 ，如果某处金属充填慢，在其相邻部分均已基本充满时，该处仍缺少大量的金属而形成空腔，则相邻部分的金属在此处汇合而形成折叠；或者模锻时，坯料尺寸不合适，打击速度过快，或某处金属充填阻力过大都会产生折叠［3］。折叠裂纹产生后，因锻造过程本身温度较高，加上后续的正火、渗碳处理过程中高温均可造成裂纹表面氧化脱碳；裂纹起始端因零件表面渗碳的缘故使裂纹表面增碳，故而未观察到明显的脱碳现象。锻造折叠裂纹的存在，一方面减少了零件的有效承载面积，另一方面造成应力集中，原始折叠裂纹存在处即形成疲劳源，在变速箱试验过程中，裂纹扩展进而导致输入带轮轴早期疲劳断裂。
3、结论及建议
3.1失效输入带轮轴为疲劳断裂，断裂的原因是存在原始锻造折叠裂纹。
3.2建议产品制造商要采取以下措施：
（1）加强锻造工艺加工过程控制，防止产生锻造折叠裂纹；
（2）对产品加强探伤检查，保证出厂产品质量。
参考文献
［1］ 陈家瑞，汽车构造下册［M］机械工业出版社2009.2 92-93
［2］ 宋涛等，热处理技术［M］化学工业出版社2003.1 503
［3］ 王国凡，材料成型与失效［M］化学工业出版社2002.9 145-146
作者：张小荣
（奇瑞汽车股份有限公司试验和整车技术工程院，芜湖）