吳迪 劉博文

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的熱處理及機(jī)械加工工藝都有了很大進(jìn)展，并在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)影響汽車轉(zhuǎn)向器疲勞壽命的熱處理工藝及機(jī)加工藝進(jìn)行了分析和研究，主要從齒輪心部硬度，回火溫度，強(qiáng)力噴丸工藝，機(jī)加表面質(zhì)量，熱處理后非馬組織，插齒刀圓角半徑等六個(gè)方面分別進(jìn)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

引言

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

1高頻熱處理的特點(diǎn)和適用部件

高頻淬火部件的材質(zhì)具有的特點(diǎn)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(duì)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(huán)設(shè)定自由度大，所以，高頻淬火部件的“硬化層較深并可調(diào)整硬化層深度”、只對(duì)表面進(jìn)行硬化、在表“高殘余壓縮應(yīng)力”、快速短時(shí)淬火使部件“組織微細(xì)化、少脫碳、小變形”。高頻淬火適用的零部件有汽車底盤的驅(qū)動(dòng)軸、輪轂軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、變速箱部件、轉(zhuǎn)向部件等許多零部件。此外，利用高頻淬火設(shè)備可移動(dòng)的特點(diǎn)，可對(duì)大型部件進(jìn)行高頻淬火。工程機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承部件、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、加工機(jī)械的大中型軋輥、隧道挖掘機(jī)的旋轉(zhuǎn)輪、滾珠絲杠、鋼軌等都可進(jìn)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(qiáng)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(shè)計(jì)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(guó)、北美、EU等國(guó)家和地區(qū)都進(jìn)行高頻整體加熱熱處理制造ITW。

2熱處理加工產(chǎn)業(yè)工藝裝備及技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)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(chǎn)廠目前使用的熱處理設(shè)備還是沿用六七十年代的技術(shù)。在我國(guó)的主要熱處理設(shè)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(dāng)比例，鹽浴爐由于國(guó)家出臺(tái)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(shù)的推廣，真空爐、可控氣氛爐等設(shè)備的比例已提高至30%，在部分行業(yè)規(guī)模企業(yè)中這一比例已達(dá)到40%，而在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，這些先進(jìn)設(shè)備所占比例達(dá)到75%～85%，與之相比，我國(guó)還有很大差距。同時(shí)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家80%以上的熱處理設(shè)備采用計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)在線控制，自動(dòng)化生產(chǎn)已成為熱處理生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)配置。在歐美以及日本現(xiàn)在已經(jīng)有很多數(shù)字化熱處理車間，實(shí)現(xiàn)了少無人化生產(chǎn)，提高設(shè)備的綜合利用率，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)和質(zhì)量的在線精確控制。而這項(xiàng)工作，國(guó)內(nèi)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(duì)疲勞強(qiáng)度影響

在規(guī)定范圍內(nèi)提高齒輪的心部硬度，對(duì)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(huì)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(qiáng)度的關(guān)鍵，心部硬度為38HRC的齒輪疲勞壽命最長(zhǎng)。心部硬度主要靠材料的淬透性來實(shí)現(xiàn)。通過選到H1，H2和H3三種淬透性的材料進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，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。

3.2熱處理中的回火技術(shù)

回火指將淬火鋼加熱至A1以下的某溫度保溫后進(jìn)行冷卻的一種方法。通過回火處理可將淬火內(nèi)應(yīng)力加以消除或減小，避免開裂、變形。同時(shí)，可對(duì)零件的韌性、硬度進(jìn)行調(diào)整，獲得預(yù)期的力學(xué)性能。另外，回火可促進(jìn)零件材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏胶饣蚱胶獾慕M織，避免使用過程中變形。回火處理時(shí)隨著溫度的升高加工零件的力學(xué)性能整體上呈現(xiàn)出硬度、強(qiáng)度降低，韌性、塑性升高的變化。其中當(dāng)?shù)陀?00℃時(shí)，因馬氏體中碳化物彌散析出，鋼硬度并不會(huì)下降。當(dāng)溫度在200～300℃時(shí)，高碳鋼的硬度會(huì)有所提升。但當(dāng)溫度超過300℃時(shí)，F(xiàn)e3C粗化，馬氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，硬度呈現(xiàn)直線下降。研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)回火時(shí)，會(huì)出現(xiàn)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(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性。出現(xiàn)這一情況的原因在于滲碳體和細(xì)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(shí)不能在該溫度范圍內(nèi)。第二類回火脆性指在500～560℃回火時(shí)后緩冷時(shí)出現(xiàn)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(xiàn)，可采取的方法有：回火后快速冷卻;如零部件的截面較大時(shí)，可加入0.5%左右的Mo、1%左右的合金元素。另外，根據(jù)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(duì)應(yīng)的回火溫度分別為150～250℃、350～500℃、500～650℃。其中低溫回火適合應(yīng)用在滲碳件、高碳鋼等零件加工中。中溫回火適合應(yīng)用在彈簧熱處理中。高溫回火適合應(yīng)用在齒輪、軸等零件加工中，可作為量具、高精密件的預(yù)備熱處理。

3.3強(qiáng)力噴丸對(duì)疲勞強(qiáng)度影響

通過對(duì)實(shí)施普通噴丸強(qiáng)化工藝和強(qiáng)力噴丸工藝進(jìn)行對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)（采用同一批材料，并在同一爐零件進(jìn)行滲碳熱處理），強(qiáng)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(shí)，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(duì)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(kuò)展的門檻值獲得提高。

3.4非馬組織對(duì)疲勞強(qiáng)度影響

根據(jù)許多專家分析認(rèn)為產(chǎn)生非馬氏體組織的原因是由“內(nèi)氧化”造成的，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(shí)，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(fēng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)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(gè)碳勢(shì)等待的過程時(shí)間過長(zhǎng)，升溫速度慢，結(jié)果非馬組織達(dá)到了40μm，而導(dǎo)致該批零件報(bào)廢。該零件為常規(guī)成熟生產(chǎn)產(chǎn)品，把這批零件隨機(jī)挑選一件裝入總成進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，在非馬超標(biāo)的情況下，疲勞壽命有所降低。

結(jié)束語

綜上所述，為提高機(jī)械加工零件質(zhì)量及力學(xué)性能指標(biāo)，更好的滿足機(jī)械加工、生產(chǎn)要求，做好熱處理加工技術(shù)尤為重要。一方面，熱處理加工工藝復(fù)雜，涉及的細(xì)節(jié)較多，技術(shù)人員應(yīng)明確熱處理工序，把握相關(guān)工序的重點(diǎn)與難點(diǎn)。另一方面，需要技術(shù)人員做好研究，根據(jù)不同零件材質(zhì)，找到合適的熱處理溫度，進(jìn)行針對(duì)性人為干預(yù)，促進(jìn)機(jī)械加工零件綜合性能的進(jìn)一步提升。

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