熱處理及機加工藝對汽車轉(zhuǎn)向器疲勞壽命影響研究

江海濤 趙俊平

摘? 要：對影響汽車轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)向器疲勞壽命的方案。

關(guān)鍵詞：熱處理;轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器新品研發(fā)時，進行疲勞壽命臺架試驗，在4萬次左右發(fā)生齒條活塞邊齒斷裂，不能滿足10萬次的企業(yè)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(fā)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(nèi)孔方向斷裂。分析斷口為彎曲疲勞斷裂，未發(fā)現(xiàn)接觸疲勞失效現(xiàn)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(nèi)孔的滾道根部斷裂，同樣分析斷口為彎曲疲勞斷裂，未發(fā)現(xiàn)接觸疲勞失效現(xiàn)象。

1.2? ?齒條活塞技術(shù)要求如下

技術(shù)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(jié)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(jié)果如下

斷裂件檢查結(jié)果

1）在1#、2#上取樣做化學成分分析，結(jié)果見表2：

2）在1#、2#上取樣測試基體硬度，結(jié)果如下：

1#：304HB、290HB;

2#：292HB、280HB。

3） 垂直斷口源區(qū)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(yīng)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(guī)定范圍內(nèi)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(guān)，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(yīng)力狀態(tài)等，因此選擇合適的心部硬度是提高彎曲疲勞強度的關(guān)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(xiàn)。通過選到H1，H2和H3三種淬透性的材料進行臺架試驗，結(jié)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(yīng)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(yīng)力減小，會增加零件的彎曲疲勞強度。因而回火的利與弊應(yīng)根據(jù)滲碳件淬火后的表面應(yīng)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變應(yīng)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(yīng)力能削減外力在裂紋尖端引起的拉應(yīng)力峰，或裂紋在疲勞過程中處于閉合狀態(tài)，其結(jié)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(zhì)量差，也就相當于在齒輪表面預(yù)制了一個裂紋源，由于裂紋處應(yīng)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(jù)許多專家分析認為產(chǎn)生非馬氏體組織的原因是由“內(nèi)氧化”造成的[5]，即由于金屬內(nèi)部或者外部的原因使得在表層20-40μm范圍內(nèi)的組織中的Cr等元素產(chǎn)生氧化，使得淬硬性下降，產(chǎn)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(yīng)力，使疲勞性能大幅下降。東風汽車公司關(guān)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(jù)實踐經(jīng)驗，當滲碳爐輻射管損壞較多，有一爐應(yīng)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(jié)果非馬組織達到了40μm，而導致該批零件報廢。該零件為常規(guī)成熟生產(chǎn)產(chǎn)品，把這批零件隨機挑選一件裝入總成進行臺架試驗，結(jié)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(chǎn)生干涉，制造時切齒刀刀尖圓角半徑必須小于設(shè)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(jié)論

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

2.搖臂軸插齒刀刀尖圓角半徑必須小于設(shè)計齒輪嚙合間隙的一半，是轉(zhuǎn)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(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)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(zhuǎn)向器變厚齒齒根圓角的研究[J].《機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)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.