汽車工業(yè)的發(fā)展主要面臨著三大問題，即安全、環(huán)保和節(jié)能。電動(dòng)汽車由于具有低排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今汽車研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)，也是汽車工業(yè)發(fā)展的大趨勢。電機(jī)、電控、電池為電動(dòng)汽車的三大核心零部件，其中電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其性能的提升代表了新能源汽車的動(dòng)力提升。電機(jī)軸是電機(jī)與設(shè)備之間機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的紐帶，其作用是支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零部件、傳遞力矩，并確定轉(zhuǎn)動(dòng)零部件與定子的相對(duì)位置。因此在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)軸主要承受較大的周期性扭轉(zhuǎn)載荷，要求花鍵端與軸承的連接處具有高耐磨性，因此，目前我國新能源車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸普遍采用20CrMnTiH鋼鍛造成形，經(jīng)機(jī)械加工后，再利用表面滲碳淬火強(qiáng)化工藝來滿足其使用功能。
某電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸在生產(chǎn)下線無損檢測過程中發(fā)現(xiàn)其螺紋端存在縱向裂紋。電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的宏觀形貌如圖1所示，可見其由花鍵、軸本體、螺紋（螺紋端頭有工藝孔）組成?；ㄦI和驅(qū)動(dòng)軸本體整體經(jīng)滲碳淬火處理，滲碳層深度為0.4~0.7mm，表面硬度為650~770HV，心部硬度為300~445HV，螺紋端要求做防滲處理，不允許出現(xiàn)滲碳現(xiàn)象。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸開裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
part 1理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸裂紋處的宏觀形貌如圖2 所示。由圖2可知：裂紋沿螺紋端面軸向擴(kuò)展延伸，裂紋前端較寬，尾部較尖，周圍未見分支的小裂紋，裂紋形態(tài)較筆直、剛勁有力。
將裂紋用線切割方式人工打開，斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷口明顯分為兩個(gè)部分，標(biāo)記為A區(qū)和B區(qū)，斷口整體潔凈，未見明顯回火氧化產(chǎn)物；表層A 區(qū)未見明顯宏觀塑性變形，斷面平齊、粗糙，顏色較灰暗，可見明顯的晶粒外形，呈典型的脆性斷裂特征，心部呈撕裂纖維狀，具有宏觀塑性痕跡。由斷口特征可以推斷，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸首先沿表層A區(qū)開裂，剩余截面不足以承受外力作用，快速斷裂形成B區(qū)。由斷裂面形貌的特征及驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的生產(chǎn)工藝綜合推斷，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸螺紋端表面具有滲碳層斷口特征。
1.2 掃描電鏡（SEM）分析
將電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸斷口用乙醇溶液超聲清洗，然后置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：A、B兩區(qū)均未見明顯夾雜、夾渣等材料冶金缺陷和折疊、擦傷等鍛造缺陷；A區(qū)斷口形貌以典型的冰糖狀沿晶為主，含有少量韌窩，晶界面局部可見微小氣孔，但未見明顯的“雞爪紋”花樣；在A區(qū)和B區(qū)過渡區(qū)域呈沿晶+ 韌窩形貌；B區(qū)主要呈韌窩形貌，具有撕裂剪切混合特征，表明該處斷裂性質(zhì)為塑性斷裂。
1.3 金相檢驗(yàn)
將開裂電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸螺紋端沿縱向剖開，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，結(jié)果為：A0.5，B0，C0.5，D0.5級(jí)（見圖5），材料中非金屬夾雜物含量較少，表明驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸原材料純凈度較好。
沿電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸垂直斷面剖開并截取金相試樣，將試樣腐蝕后置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：斷口附近A區(qū)可見明顯二次裂紋，其顯微組織為細(xì)針狀馬氏體+殘余奧氏體+少量碳化物，依據(jù)GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》，馬氏體針的級(jí)別為3級(jí)，殘余奧氏體的級(jí)別為2級(jí)，碳化物的級(jí)別為1級(jí)；心部顯微組織為板條狀馬氏體，級(jí)別為1級(jí)，斷口沿裂紋兩側(cè)并未見明顯脫碳現(xiàn)象，說明該裂紋與鍛造工藝無關(guān)。
另隨機(jī)抽取一件未開裂電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸，將其沿橫截面剖開并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：未開裂電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸螺紋端也存在滲碳現(xiàn)象，且在工藝孔內(nèi)表面有沿滲碳方向的裂紋。由此可推斷出電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸螺紋端裂紋首先在工藝孔內(nèi)表面形成，然后擴(kuò)展至整個(gè)硬化層內(nèi)，心部發(fā)生了一次性過載開裂，最終形成肉眼可見的宏觀裂紋。
1.4 化學(xué)成分分析
在開裂電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上取樣，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)20CrMnTi鋼的要求。
1.5 硬度測試
按照GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，使用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)軸螺紋端表面（距表面0.1mm處）和心部進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：滲碳層硬化層深度為0.675mm；距表面0.1mm處的硬度為781HV1, 心部硬度為450HV1。
part 2綜合分析
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該開裂電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求；螺紋端表面有明顯的滲碳組織，根據(jù)GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》，表面硬度高出心部硬度30HV，可判定該產(chǎn)品表層已滲碳，不符合產(chǎn)品螺紋端防滲工藝的技術(shù)要求。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸首先在硬化層內(nèi)形成延遲性裂紋，裂紋源處可見沿晶斷裂特征，但晶界面未見“雞爪紋”；在后續(xù)的精加工過程中，由機(jī)床頂針將零件工藝孔與機(jī)床固定，對(duì)零件形成了相互擠壓的作用力，導(dǎo)致剩余心部截面積非常小，鍵槽平面距中心孔厚度為3mm，除去兩側(cè)硬化層深度，心部厚度僅約為1.64mm，不足以承受外部的擠壓作用力，最終導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸開裂，其微觀形貌主要呈韌窩特征。
該電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸是產(chǎn)品下線后短時(shí)間內(nèi)發(fā)生開裂的，并非在車輛運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生開裂。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸螺紋端開裂性質(zhì)符合延遲開裂特征。根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，表層材料極限強(qiáng)度可達(dá)2000MPa 以上，材料為超高強(qiáng)度鋼。材料的強(qiáng)度越高，延遲開裂敏感性越大，越容易發(fā)生延遲開裂。電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸螺紋端不合理的防滲工藝導(dǎo)致其表面形成滲碳層高碳馬氏體組織，使表面硬度和強(qiáng)度增大，增加了材料延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)。
part 3結(jié)論及建議
該電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的開裂性質(zhì)為延遲性開裂，螺紋端表面滲碳，導(dǎo)致其表面硬度偏高，材料產(chǎn)生了馬氏體及其不充分的回火組織，增加了材料延遲開裂的敏感性，最終導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸螺紋端發(fā)生開裂。
建議完善電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸生產(chǎn)工藝，做好防滲措施，避免螺紋端表面滲碳。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
