熱處理及機械加工工藝對汽車轉向器疲勞壽命影響研究

吳迪 劉博文

摘要：隨著科學技術的發展，我國的熱處理及機械加工工藝都有了很大進展，并在各行各業中得到了廣泛的應用。本文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

引言

汽車轉向器是汽車轉向系中最重要的部件，為了方便更好的研究汽車轉向器，本文對熱處理及機械加工工藝對汽車轉向器疲勞壽命的影響進行分析。

1高頻熱處理的特點和適用部件

高頻淬火部件的材質具有的特點是：部件材料碳含量相同的情況下，高頻淬火部件的表面硬度高于加熱爐對部件整體加熱的部件表面硬度。因此，與滲碳、氮化相比，高頻淬火的熱循環設定自由度大，所以，高頻淬火部件的“硬化層較深并可調整硬化層深度”、只對表面進行硬化、在表“高殘余壓縮應力”、快速短時淬火使部件“組織微細化、少脫碳、小變形”。高頻淬火適用的零部件有汽車底盤的驅動軸、輪轂軸承、發動機凸輪軸、變速箱部件、轉向部件等許多零部件。此外，利用高頻淬火設備可移動的特點，可對大型部件進行高頻淬火。工程機械的轉動軸承部件、產業機械、加工機械的大中型軋輥、隧道挖掘機的旋轉輪、滾珠絲杠、鋼軌等都可進行高頻淬火。高頻整體加熱熱處理（淬火-回火）制品的例子有，具有高強度高韌性高延性的PC鋼棒、彈簧鋼絲（ITW）等。ITW是冷成形螺旋彈簧。提高ITW的耐久性和降低ITW的彈性衰減，可減輕彈簧重量。并且由于是冷加工成形，所以螺旋彈簧的設計自由度大，可使汽車懸簧功能多樣化并提高懸簧的性能。目前，日本、中國、北美、EU等國家和地區都進行高頻整體加熱熱處理制造ITW。

2熱處理加工產業工藝裝備及技術現狀

目前，我國的熱處理裝備以電阻爐為主（占90%以上），存在能耗高、熱效率低和性能差的弊病，很多生產廠目前使用的熱處理設備還是沿用六七十年代的技術。在我國的主要熱處理設備中，一般箱式爐、鹽浴爐和井式爐（包括井式滲碳爐）還占有相當比例，鹽浴爐由于國家出臺禁用政策正大比例縮減。近年來，由于真空和可控氣氛等技術的推廣，真空爐、可控氣氛爐等設備的比例已提高至30%，在部分行業規模企業中這一比例已達到40%，而在工業發達國家中，這些先進設備所占比例達到75%～85%，與之相比，我國還有很大差距。同時，在工業發達國家80%以上的熱處理設備采用計算機或計算機在線控制，自動化生產已成為熱處理生產線的標準配置。在歐美以及日本現在已經有很多數字化熱處理車間，實現了少無人化生產，提高設備的綜合利用率，實現工藝參數和質量的在線精確控制。而這項工作，國內目前才剛開展，目前還處于推廣階段。

3原因分析

3.1心部硬度對疲勞強度影響

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。

3.2熱處理中的回火技術

回火指將淬火鋼加熱至A1以下的某溫度保溫后進行冷卻的一種方法。通過回火處理可將淬火內應力加以消除或減小，避免開裂、變形。同時，可對零件的韌性、硬度進行調整，獲得預期的力學性能。另外，回火可促進零件材質轉變為接近平衡或平衡的組織，避免使用過程中變形。回火處理時隨著溫度的升高加工零件的力學性能整體上呈現出硬度、強度降低，韌性、塑性升高的變化。其中當低于200℃時，因馬氏體中碳化物彌散析出，鋼硬度并不會下降。當溫度在200～300℃時，高碳鋼的硬度會有所提升。但當溫度超過300℃時，Fe3C粗化，馬氏體向鐵素體轉變，硬度呈現直線下降。研究發現，淬火鋼的韌性并非隨著溫度的升高一直提高，即，在某些溫度范圍內回火時，會出現沖擊韌性下降的情況，成為回火脆性。回火脆性分為第一類回火脆性、第二類回火脆性。其中第一類回火脆性指在250～350℃范圍內回火時出現的脆性。出現這一情況的原因在于滲碳體和細小的薄片狀過渡碳化物在馬氏體片界面析出，因此，回火處理時不能在該溫度范圍內。第二類回火脆性指在500～560℃回火時后緩冷時出現的脆性，主要因鋼中受Mn、Cr、Ni元素影響，促使Sn、Sb、P等向原奧氏體晶界偏聚。為避免這一回火脆性的出現，可采取的方法有：回火后快速冷卻;如零部件的截面較大時，可加入0.5%左右的Mo、1%左右的合金元素。另外，根據回火溫度，可將回火分為低溫回火、中溫回火、高溫回火三類，對應的回火溫度分別為150～250℃、350～500℃、500～650℃。其中低溫回火適合應用在滲碳件、高碳鋼等零件加工中。中溫回火適合應用在彈簧熱處理中。高溫回火適合應用在齒輪、軸等零件加工中，可作為量具、高精密件的預備熱處理。

3.3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。

3.4非馬組織對疲勞強度影響

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，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。

結束語

綜上所述，為提高機械加工零件質量及力學性能指標，更好的滿足機械加工、生產要求，做好熱處理加工技術尤為重要。一方面，熱處理加工工藝復雜，涉及的細節較多，技術人員應明確熱處理工序，把握相關工序的重點與難點。另一方面，需要技術人員做好研究，根據不同零件材質，找到合適的熱處理溫度，進行針對性人為干預，促進機械加工零件綜合性能的進一步提升。

參考文獻

[1]沈彥德.機械加工零件的熱處理加工技術探析[J].化工管理，2018（09）：88.

[2]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.

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