熱處理及機加工藝對汽車轉向器疲勞壽命影響研究

江海濤 趙俊平

摘? 要：對影響汽車轉向器疲勞壽命的熱處理工藝及機加工藝進行了分析和研究，主要從齒輪心部硬度，回火溫度，強力噴丸工藝，機加表面質量，熱處理后非馬組織，插齒刀圓角半徑等六個方面分別進行了分析，提出了提高汽車轉向器疲勞壽命的方案。

關鍵詞：熱處理;轉向器;疲勞壽命

中圖分類號：U466? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0070-04

本公司在進行110缸徑轉向器新品研發時，進行疲勞壽命臺架試驗，在4萬次左右發生齒條活塞邊齒斷裂，不能滿足10萬次的企業標準，為此，需要找出影響疲勞壽命的熱處理因素和其他因素，并加以改善 。

1? ? 零件疲勞斷裂簡介

1.1? ?齒條活塞斷裂描述

編號1#：臺架試驗4萬次就發生邊齒斷齒。外觀見圖1，斷口見圖3，是疲勞斷口。從齒根起源，向內孔方向斷裂。分析斷口為彎曲疲勞斷裂，未發現接觸疲勞失效現象。

編號2#：臺架試驗約4.5萬次時邊齒斷齒。外觀見圖2，斷口見圖5，是疲勞斷口。從齒根起源，向內孔的滾道根部斷裂，同樣分析斷口為彎曲疲勞斷裂，未發現接觸疲勞失效現象。

1.2? ?齒條活塞技術要求如下

技術條件：材料：20CrMnTiH3，零件滲碳處理，表面硬度HRC58～HRC63，心部硬度30-45HRC。第2或3齒節圓的有效硬化層深1.3-1.7mm，滾道頂部的有效硬化層深不低于0.8mm

1.3? ?齒條活塞滲碳熱處理工藝如下：

1.4? ?斷裂件檢查結果如下

斷裂件檢查結果

1）在1#、2#上取樣做化學成分分析，結果見表2：

2）在1#、2#上取樣測試基體硬度，結果如下：

1#：304HB、290HB;

2#：292HB、280HB。

3） 垂直斷口源區取縱向樣，磨制成金相試樣后觀察。

1#的宏觀特征見圖1，齒根到滾道頂部的距離為4.06mm。齒根部位的有效硬化層深為1.28mm，滾道頂部的有效硬化層深為0.59mm。硬度曲線見圖4，對應的硬度值見表3，硬度最低值約為HRC43。齒根到滾道中間位置的金相組織為：板條馬氏體+貝氏體+少量鐵素體。第2個齒的心部的金相組織為：板條馬氏體+貝氏體+少量鐵素體。

2#的宏觀特征見圖2，齒根到滾道頂部的距離為10.34mm。齒根部位的有效硬化層深為1.03mm，滾道頂部的有效硬化層深為0.45mm。齒根到滾道中間位置的金相組織為：板條馬氏體+貝氏體+少量鐵素體。第2個齒的心部的金相組織為：板條馬氏體+貝氏體+少量鐵素體。

2#第2個齒心部硬度HV1為：352、331。換算成HRC為：37、35。

2#的第1個齒根到滾道中間位置的硬度HV1為：296、307。換算成HRC為：31、32。

2? ? 原因分析

2.1? ?心部硬度對疲勞強度影響

文獻[1]指出，較低的心部硬度會降低齒輪的彎曲疲勞強度[1]，而過高的心部硬度又會使齒輪在過載負荷的沖擊下脆性折斷。在規定范圍內提高齒輪的心部硬度，對提高齒輪彎曲疲勞性能非常有利。心部硬度與材料的淬透性密切相關，淬透性能低，熱處理后輪齒的心部硬度低，但若淬透性能過高，又會影響熱處理變形以及表面殘余應力狀態等，因此選擇合適的心部硬度是提高彎曲疲勞強度的關鍵，心部硬度為38HRC的齒輪疲勞壽命最長。心部硬度主要靠材料的淬透性來實現。通過選到H1，H2和H3三種淬透性的材料進行臺架試驗，結果表明疲勞壽命沒有明顯差異，心部硬度不是影響彎曲壽命的主要原因。

2.2? ?回火溫度對疲勞強度影響

回火使表層的殘余壓應力減小，會引起零件的彎曲疲勞強度降低[2];回火使表層的殘余拉應力減小，會增加零件的彎曲疲勞強度。因而回火的利與弊應根據滲碳件淬火后的表面應力狀況來判定。通過對不同回火溫度的齒條進行臺架疲勞試驗，結果表明較低的回火溫度可以適當提高彎曲疲勞壽命。

2.3? ?強力噴丸對疲勞強度影響

通過對實施普通噴丸強化工藝和強力噴丸工藝進行對比臺架試驗（采用同一批材料，并在同一爐零件進行滲碳熱處理），強力噴丸件的彎曲疲勞壽命有明顯提高彎曲疲勞壽命。

在無殘余應力存在的情況下，疲勞裂紋通常萌生于材料表面，而在有殘余壓應力存在時，疲勞源則移向次表面，并且裂紋萌生位置隨著外加交應變應力的增高而逐漸移向表面，對于存在表面裂紋的情況下，殘余壓應力能削減外力在裂紋尖端引起的拉應力峰，或裂紋在疲勞過程中處于閉合狀態，其結果使表面裂紋擴展的門檻值獲得提高[3]。

2.4? ?刀痕對疲勞強度影響

通過實施齒輪磨齒工藝進行前后對比臺架試驗（采用同一批材料，并在同一爐零件進行滲碳熱處理），磨齒后的齒條彎曲疲勞壽命有明顯提高。

若表面存在明顯的接刀痕時，或者齒輪表面加工質量差，也就相當于在齒輪表面預制了一個裂紋源，由于裂紋處應力集中，會加速裂紋的擴展，也就會很大程度上降低了齒輪的彎曲疲勞強度和壽命[1]。

2.5? ?非馬組織對疲勞強度影響

研究其機理，根據許多專家分析認為產生非馬氏體組織的原因是由“內氧化”造成的[5]，即由于金屬內部或者外部的原因使得在表層20-40μm范圍內的組織中的Cr等元素產生氧化，使得淬硬性下降，產生三黑組織，造成表面硬度下降。同時，非馬氏體組織使表面存在拉應力，使疲勞性能大幅下降。東風汽車公司關于齒輪鋼滲碳后要求表面非馬組織要控制在20μm以下，在正常熱處理工藝條件，我們的非馬組織可以控制在20μm以下。但是根據實踐經驗，當滲碳爐輻射管損壞較多，有一爐應為丙烷故障，在升溫階段880℃有一個碳勢等待的過程時間過長，升溫速度慢，結果非馬組織達到了40μm，而導致該批零件報廢。該零件為常規成熟生產產品，把這批零件隨機挑選一件裝入總成進行臺架試驗，結果表明，在非馬超標的情況下，疲勞壽命有所降低。

2.6? ?刀具圓角半徑對疲勞強度影響

文獻[4]指出齒條與齒扇的頂間隙很重要[4]。如果過小，齒條齒頂與齒扇齒齒條齒頂與齒扇齒根將會產生干涉，制造時切齒刀刀尖圓角半徑必須小于設計的間隙的一半。我們在使用過程中與齒條相嚙合的搖臂軸插齒刀尖圓角半徑為R1，未及時修磨，圓角半徑大于齒條與齒扇的頂間隙。采用新刀加工的搖臂軸，則臺架試驗疲勞壽命達到十萬次。

3? ? 結論

1.較低的回火溫度，好的齒輪表面加工質量，較少的非馬組織，增加強力噴丸工藝有利于提高轉向器疲勞壽命。

2.搖臂軸插齒刀刀尖圓角半徑必須小于設計齒輪嚙合間隙的一半，是轉向器疲勞壽命達不到十萬次的主要原因。

參考文獻：

[1]鄭立新，汪維新.汽車齒輪鋼彎曲疲勞性能研究[J].全國熱處理學集，2004，25（11）：54-56.

[2]馬琴，張先鳴.滲碳件取消回火研究[J].江西能源，2001：10-11.

[3]張繼魁，吳振凡.噴丸強化技術在汽車工業中的應用[J].重型汽車1994，1994（4）總第24期：30-34.

[4]張楓念，何鶴立， 張善興.汽車轉向器變厚齒齒根圓角的研究[J].《機電產品開發與創新》2003年第5期：23-25.

[5]李志義，馬學文，蒲? 玲，向書成，李曉澎. 滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成的原因和防止措施[J].《金屬熱處理》2000年第25卷第11期：1-9.