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        汽車轉向機小齒輪斷齒失效分析

        2018-05-18 07:40:27匡立文楊衛(wèi)祥
        汽車實用技術 2018年7期

        匡立文,楊衛(wèi)祥

        (博世華域轉向系統(tǒng)有限公司,上海 310000)

        引言

        小齒輪是汽車轉向機重要的安全零件之一。小齒輪與齒條嚙合,將方向盤的手力扭矩轉換為齒條的橫向移動力,從而推動左右兩側拉桿并連接輪胎左右轉向。反之,輪胎受路面沖擊,也會通過拉桿傳遞給齒條,并通過小齒輪與齒條的嚙合,對小齒輪施加逆向沖擊力。在設計、生產(chǎn)小齒輪時,應保證小齒輪的強度,避免受過載沖擊發(fā)生斷齒失效,引起轉向機故障和造成車輛駕駛事故。本文通過對汽車轉向機小齒輪斷齒進行失效分析,找到引起斷齒失效的原因,并提出改進措施,避免小齒輪斷齒現(xiàn)象的發(fā)生,同時為類似齒輪斷齒分析提供相關借鑒。

        1 概述

        汽車轉向機在做模擬路面逆向沖擊的橫向加載試驗時,發(fā)生小齒輪斷齒失效現(xiàn)象。小齒輪材料為ZF208,斜齒輪,齒部表面經(jīng)感應淬火和回火處理,表面硬度要求為56HRC~61HRC,齒根部區(qū)域感應淬火深度要求0.7mm~1.7mm。該小齒輪共有9齒,試驗后其中1個齒從齒根處發(fā)生斷裂,斷齒宏觀形貌見圖1所示。為查明該小齒輪斷齒原因,對其進行檢驗和分析。

        2 檢驗和分析

        2.1 宏觀檢測和斷裂起始位置確定

        斷口處宏觀形貌見圖 2,斷齒發(fā)生在感應淬火段近端頭側。斷面在縱向兩側向齒頂擴展,斷面呈灰色,弧形對稱下凹,中央頂部近齒根(A向)相對較細,近圖下側(B向)相對粗糙,并可見由上側A向朝下側B向及左右的放射狀花紋,表明A向(圓圈區(qū)域)為斷裂起始區(qū)。

        圖2 小齒輪斷口宏觀形貌Fig.2 Macrostructure appearance of fracture

        2.2 掃描電鏡和X射線能譜分析

        對斷齒進行清洗和干燥,根據(jù)JB/T 6842-1993標準[1],在掃描電鏡中進行精細觀察和分析。圖3是斷裂起始位置的SEM形貌,可清晰地看到裂紋交匯于照片底部的圓圈處,對該處進一步放大形貌如圖4所示。圖4中主要為穿晶斷裂,并存在了大量的二次裂紋,二次裂紋表現(xiàn)為沿晶界擴展,這是典型的脆性斷裂特征,表明該處承受了超過材料承載能力的載荷而發(fā)生了過載斷裂。在裂紋起始處可看到大量細小的韌窩,如圖5所示,這是塑性變形的特征。同時可看到有較明顯的塑變滑移線,進一步說明在裂紋起始處發(fā)生了塑性變形。按照該零件表面硬度要求,該處為硬化組織,不應發(fā)生塑性變形,若發(fā)生了塑性變形,通常是由于該處的強度不足所致。

        圖3 斷裂起始位置SEM形貌Fig.3 SEM pattern of fracture beginning position

        圖4 斷裂起始位置精細形貌Fig.4 Microstructure of fracture beginning position

        圖4中同時可見條狀夾雜物分布,根據(jù)GB/T 17359-2012標準[2],對上述條狀夾雜物進行X射線能譜分析,除可見主量元素Fe峰線外,還可見S,Mn元素峰線,表明夾雜為硫化物,能譜曲線見圖6,元素參考含量見表1。硫化物的分布沿著齒向,靠近齒根部位存在,破壞了鋼基體的均勻性和連續(xù)性,對材料的強度和疲勞性能影響較大。夾雜物的存在, 還會在該處造成應力集中,容易成為疲勞源,將大大削弱該部位的抗拉強度[3]。圖7是斷裂起始處及附近的硫化物夾雜。

        圖5 斷裂起始位置處細小韌窩和塑變滑移線Fig.5 Dimple and plastic deformation at fracture beginning position

        圖6 斷裂起始位置處條狀組織能譜曲線圖Fig.6 EDX pattern of strip inclusions

        表1 能譜分析元素參考含量表Tab.1 EDX element content %

        圖7 斷裂起始位置及附近處的硫化物夾雜Fig.7 Sulfide inclusions at fracture zone

        2.3 斷面金相分析

        圖8 斷面低倍下組織分布形貌Fig.8 Fracture morphology at low magnification

        在斷面法向截面上進行金相分析。該區(qū)域組織分布形貌見圖8所示,可見斷面處于感應淬火層內(nèi),兩側起始區(qū)、終斷區(qū)均位于齒根部。A向起始區(qū)高倍下形貌見圖9所示,斷面表層局部沿晶分布,根據(jù)JB/T 9204-2008標準[4],表層組織為細馬氏體,馬氏體可評為5級。

        圖9 斷面A向表層組織形貌Fig.9 Microstructure of A side at fracture zone

        斷面中間區(qū)域組織分布形貌見圖10所示,圖上側為感應淬火層,可見表層不甚平整,高倍下可見表層組織見圖11所示,根據(jù)JB/T 9204-2008標準[4],可判定為馬氏體+鐵素體。從金相試驗可知,斷裂層同時存在細馬氏體和馬氏體+鐵素體,且淬火層相對不平整,因此該區(qū)域可能存在硬度不均勻現(xiàn)象。

        圖10 斷面中間區(qū)域表層組織分布形貌Fig.10 Microstructure of fracture middle zone

        圖11 斷面中間區(qū)域表層組織分布形貌Fig.11 Microstructure of fracture middle zone

        2.4 硬度測試

        圖12 顯微硬度測試位置及結果Fig.12 Test result and location of microhardness

        根據(jù)GB/T 4340.1-2009標準[5],沿著零件表面從斷裂起始位置至齒根進行顯微硬度測試,顯微硬度測試位置及結果如圖 12所示??梢园l(fā)現(xiàn)靠近表面處存在部分硬度值低于600HV的軟化點和軟化區(qū)域,該現(xiàn)象應是淬火不均勻導致。

        在斷裂齒A向齒根部區(qū)域由表及里測定硬度梯度,結果見表2。根據(jù)GB/T 5617-2005標準[6]和圖紙要求,最低硬度值 HVMS=615HV(56HRC),極限硬度值 HVHL=75%×HVMS=461HV,測得硬化層深度 DS=1.10mm,符合圖紙淬火深度0.7mm~1.7mm的要求。

        表2 斷面齒根由表及里硬度梯度Tab.2 Hardness gradient at fracture zone

        2.5 化學成分分析

        根據(jù)GB/T 4336-2002標準[7],在失效樣件上取樣進行化學分析,結果見表3,符合圖紙標準要求。

        表3 來樣化學分析結果Tab.3 Chemical composition analysis result (wt%)

        3 結論和建議

        由上述測試分析可知,小齒輪斷裂失效為過載斷裂,斷裂起始位置在靠近齒根部位。在顯微硬度測試中,發(fā)現(xiàn)了近表面處存在軟點和軟組織,這是造成強度不足過載斷裂的主要原因。同時,在斷裂起始位置附近發(fā)現(xiàn)了大量的硫化物夾雜,沿著軸向分布并處于表面附近,使齒輪的承載能力大大下降,這是造成過載斷裂的另一個主要原因。

        建議進行熱處理工藝時,采用高頻感應淬火工藝,可使小齒輪零件表面實現(xiàn)組織強化,得到較高的表面硬度;同時,組織細小,強韌性配合好,具有較高的強度和多沖抗力,能滿足轉向小齒輪的使用性能要求[7]。

        建議對來料嚴把質量關,并定期取樣檢驗相關成分,確保材料中無較多夾雜物。

        參考文獻

        [1] JB/T 6842-1993.掃描電子顯微鏡試驗方法[S].

        [2] GB/T 17359-2012.微束分析能譜法定量分析[S].

        [3] Murakami Y. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonme-tallic Inclusions[M]. Amsterdam: Elsevier, 2002: 91.

        [4] JB/T 9204-2008.鋼件感應淬火金相檢驗[S].

        [5] GB/T 4340.1-2009.金屬材料維氏硬度試驗第1部分:試驗方法[S].

        [6] GB/T 5617-2005.鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定[S].

        [7] 陳金榮.汽車轉向器小齒輪熱處理工藝改進[J].金屬加工(熱處理),2013, (9):70-72.

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