分享：新能源汽车电机驱动轴开裂原因

汽车工业的发展主要面临着三大问题，即安全、环保和节能[1]。电动汽车由于具有低排放、低噪声和节能等优点，已成为当今汽车研究、开发和推广应用的热点，也是汽车工业发展的大趋势。电机、电控、电池为电动汽车的三大核心零部件[2]，其中电机作为动力驱动系统，其性能的提升代表了新能源汽车的动力提升。电机轴是电机与设备之间机械能和电能转换的纽带，其作用是支撑转动零部件、传递力矩，并确定转动零部件与定子的相对位置。因此在电机运转时，电机轴主要承受较大的周期性扭转载荷，要求花键端与轴承的连接处具有高耐磨性[3]，因此，目前我国新能源车用驱动电机转轴普遍采用20CrMnTiH钢锻造成形，经机械加工后，再利用表面渗碳淬火强化工艺来满足其使用功能。 

某电机驱动轴在生产下线无损检测过程中发现其螺纹端存在纵向裂纹。电机驱动轴的宏观形貌如图1所示，可见其由花键、轴本体、螺纹（螺纹端头有工艺孔）组成。花键和驱动轴本体整体经渗碳淬火处理，渗碳层深度为0.4~0.7 mm，表面硬度为650~770 HV，心部硬度为300~445 HV，螺纹端要求做防渗处理，不允许出现渗碳现象。笔者采用一系列理化检验方法对电机驱动轴开裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

图  1  电机驱动轴宏观形貌

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1.   理化检验

1.1   宏观观察

电机驱动轴裂纹处的宏观形貌如图2所示。由图2可知：裂纹沿螺纹端面轴向扩展延伸，裂纹前端较宽，尾部较尖，周围未见分支的小裂纹，裂纹形态较笔直、刚劲有力。 

图  2  电机驱动轴裂纹宏观形貌

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将裂纹用线切割方式人工打开，断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：断口明显分为两个部分，标记为A区和B区，断口整体洁净，未见明显回火氧化产物；表层A区未见明显宏观塑性变形，断面平齐、粗糙，颜色较灰暗，可见明显的晶粒外形，呈典型的脆性断裂特征[4]，心部呈撕裂纤维状，具有宏观塑性痕迹。由断口特征可以推断，驱动电机转轴首先沿表层A区开裂，剩余截面不足以承受外力作用，快速断裂形成B区。由断裂面形貌的特征及驱动电机转轴的生产工艺综合推断，驱动电机转轴螺纹端表面具有渗碳层断口特征。 

图  3  电机驱动轴断口宏观形貌

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1.2   扫描电镜（SEM）分析

将电机驱动轴断口用乙醇溶液超声清洗，然后置于扫描电镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：A、B两区均未见明显夹杂、夹渣等材料冶金缺陷和折叠、擦伤等锻造缺陷；A区断口形貌以典型的冰糖状沿晶为主，含有少量韧窝，晶界面局部可见微小气孔，但未见明显的“鸡爪纹”花样；在A区和B区过渡区域呈沿晶+韧窝形貌；B区主要呈韧窝形貌，具有撕裂剪切混合特征，表明该处断裂性质为塑性断裂。 

图  4  电机驱动轴断口处SEM形貌

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1.3   金相检验

将开裂电机驱动轴螺纹端沿纵向剖开，按GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物评定，结果为：A0.5，B0，C0.5，D0.5级（见图5），材料中非金属夹杂物含量较少，表明驱动电机轴原材料纯净度较好。 

图  5  电机驱动轴非金属夹杂物评级结果

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沿电机驱动轴垂直断面剖开并截取金相试样，将试样腐蚀后置于光学显微镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：断口附近A区可见明显二次裂纹，其显微组织为细针状马氏体+残余奥氏体+少量碳化物，依据GB/T 25744—2010 《钢件渗碳淬火回火金相检验》，马氏体针的级别为3级，残余奥氏体的级别为2级，碳化物的级别为1级；心部显微组织为板条状马氏体，级别为1级，断口沿裂纹两侧并未见明显脱碳现象，说明该裂纹与锻造工艺无关[5]。 

图  6  电机驱动轴断口处显微组织形貌

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另随机抽取一件未开裂电机驱动轴，将其沿横截面剖开并进行金相检验，结果如图7所示。由图7可知：未开裂电机驱动轴螺纹端也存在渗碳现象，且在工艺孔内表面有沿渗碳方向的裂纹。由此可推断出电机驱动轴螺纹端裂纹首先在工艺孔内表面形成，然后扩展至整个硬化层内，心部发生了一次性过载开裂，最终形成肉眼可见的宏观裂纹。 

图  7  未开裂电机驱动轴微观形貌

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1.4   化学成分分析

在开裂电机驱动轴上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：试样的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对20CrMnTi钢的要求。 

Table  1.  开裂电机驱动轴的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti
实测值	0.21	0.31	1.02	0.015	0.006	1.2	0.8
标准值	0.17~0.23	0.17~0.37	0.80~1.10	≤0.030	≤0.030	1.00~1.30	0.04~0.10

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1.5   硬度测试

按照GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》，使用显微维氏硬度计对电机驱动轴螺纹端表面（距表面0.1 mm处）和心部进行硬度测试，结果如图8所示。由图8可知：渗碳层硬化层深度为0.675 mm；距表面0.1 mm处的硬度为781 HV1,心部硬度为450 HV1。 

图  8  电机驱动轴硬度测试结果

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2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：该开裂电机驱动轴的化学成分符合标准要求；螺纹端表面有明显的渗碳组织，根据GB/T 3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》，表面硬度高出心部硬度30 HV，可判定该产品表层已渗碳，不符合产品螺纹端防渗工艺的技术要求。 

电机驱动轴首先在硬化层内形成延迟性裂纹，裂纹源处可见沿晶断裂特征，但晶界面未见“鸡爪纹”；在后续的精加工过程中，由机床顶针将零件工艺孔与机床固定，对零件形成了相互挤压的作用力，导致剩余心部截面积非常小，键槽平面距中心孔厚度为3 mm，除去两侧硬化层深度，心部厚度仅约为1.64 mm，不足以承受外部的挤压作用力，最终导致电机驱动轴开裂，其微观形貌主要呈韧窝特征。 

该电机驱动轴是产品下线后短时间内发生开裂的，并非在车辆运行状态下发生开裂。该电机驱动轴螺纹端开裂性质符合延迟开裂特征[6]。根据GB/T 1172—1999 《黑色金属硬度及强度换算值》，表层材料极限强度可达2 000 MPa以上，材料为超高强度钢。材料的强度越高，延迟开裂敏感性越大，越容易发生延迟开裂[7]。电机驱动轴螺纹端不合理的防渗工艺导致其表面形成渗碳层高碳马氏体组织，使表面硬度和强度增大，增加了材料延迟开裂风险。 

3.   结论及建议

该电机驱动轴的开裂性质为延迟性开裂，螺纹端表面渗碳，导致其表面硬度偏高，材料产生了马氏体及其不充分的回火组织，增加了材料延迟开裂的敏感性，最终导致电机驱动轴螺纹端发生开裂。 

建议完善电机驱动轴生产工艺，做好防渗措施，避免螺纹端表面渗碳。 

来源--材料与测试网