热处理及机械加工工艺对汽车转向器疲劳寿命影响研究

吴迪 刘博文

摘要：随着科学技术的发展，我国的热处理及机械加工工艺都有了很大进展，并在各行各业中得到了广泛的应用。本文对影响汽车转向器疲劳寿命的热处理工艺及机加工艺进行了分析和研究，主要从齿轮心部硬度，回火温度，强力喷丸工艺，机加表面质量，热处理后非马组织，插齿刀圆角半径等六个方面分别进行了分析，提出了提高汽车转向器疲劳寿命的方案。

关键词：热处理;转向器;疲劳寿命

引言

汽车转向器是汽车转向系中最重要的部件，为了方便更好的研究汽车转向器，本文对热处理及机械加工工艺对汽车转向器疲劳寿命的影响进行分析。

1高频热处理的特点和适用部件

高频淬火部件的材质具有的特点是：部件材料碳含量相同的情况下，高频淬火部件的表面硬度高于加热炉对部件整体加热的部件表面硬度。因此，与渗碳、氮化相比，高频淬火的热循环设定自由度大，所以，高频淬火部件的“硬化层较深并可调整硬化层深度”、只对表面进行硬化、在表“高残余压缩应力”、快速短时淬火使部件“组织微细化、少脱碳、小变形”。高频淬火适用的零部件有汽车底盘的驱动轴、轮毂轴承、发动机凸轮轴、变速箱部件、转向部件等许多零部件。此外，利用高频淬火设备可移动的特点，可对大型部件进行高频淬火。工程机械的转动轴承部件、产业机械、加工机械的大中型轧辊、隧道挖掘机的旋转轮、滚珠丝杠、钢轨等都可进行高频淬火。高频整体加热热处理（淬火-回火）制品的例子有，具有高强度高韧性高延性的PC钢棒、弹簧钢丝（ITW）等。ITW是冷成形螺旋弹簧。提高ITW的耐久性和降低ITW的弹性衰减，可减轻弹簧重量。并且由于是冷加工成形，所以螺旋弹簧的设计自由度大，可使汽车悬簧功能多样化并提高悬簧的性能。目前，日本、中国、北美、EU等国家和地区都进行高频整体加热热处理制造ITW。

2热处理加工产业工艺装备及技术现状

目前，我国的热处理装备以电阻炉为主（占90%以上），存在能耗高、热效率低和性能差的弊病，很多生产厂目前使用的热处理设备还是沿用六七十年代的技术。在我国的主要热处理设备中，一般箱式炉、盐浴炉和井式炉（包括井式渗碳炉）还占有相当比例，盐浴炉由于国家出台禁用政策正大比例缩减。近年来，由于真空和可控气氛等技术的推广，真空炉、可控气氛炉等设备的比例已提高至30%，在部分行业规模企业中这一比例已达到40%，而在工业发达国家中，这些先进设备所占比例达到75%～85%，与之相比，我国还有很大差距。同时，在工业发达国家80%以上的热处理设备采用计算机或计算机在线控制，自动化生产已成为热处理生产线的标准配置。在欧美以及日本现在已经有很多数字化热处理车间，实现了少无人化生产，提高设备的综合利用率，实现工艺参数和质量的在线精确控制。而这项工作，国内目前才刚开展，目前还处于推广阶段。

3原因分析

3.1心部硬度對疲劳强度影响

在规定范围内提高齿轮的心部硬度，对提高齿轮弯曲疲劳性能非常有利。心部硬度与材料的淬透性密切相关，淬透性能低，热处理后轮齿的心部硬度低，但若淬透性能过高，又会影响热处理变形以及表面残余应力状态等，因此选择合适的心部硬度是提高弯曲疲劳强度的关键，心部硬度为38HRC的齿轮疲劳寿命最长。心部硬度主要靠材料的淬透性来实现。通过选到H1，H2和H3三种淬透性的材料进行台架试验，结果表明疲劳寿命没有明显差异，心部硬度不是影响弯曲寿命的主要原因。

3.2热处理中的回火技术

回火指将淬火钢加热至A1以下的某温度保温后进行冷却的一种方法。通过回火处理可将淬火内应力加以消除或减小，避免开裂、变形。同时，可对零件的韧性、硬度进行调整，获得预期的力学性能。另外，回火可促进零件材质转变为接近平衡或平衡的组织，避免使用过程中变形。回火处理时随着温度的升高加工零件的力学性能整体上呈现出硬度、强度降低，韧性、塑性升高的变化。其中当低于200℃时，因马氏体中碳化物弥散析出，钢硬度并不会下降。当温度在200～300℃时，高碳钢的硬度会有所提升。但当温度超过300℃时，Fe3C粗化，马氏体向铁素体转变，硬度呈现直线下降。研究发现，淬火钢的韧性并非随着温度的升高一直提高，即，在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的情况，成为回火脆性。回火脆性分为第一类回火脆性、第二类回火脆性。其中第一类回火脆性指在250～350℃范围内回火时出现的脆性。出现这一情况的原因在于渗碳体和细小的薄片状过渡碳化物在马氏体片界面析出，因此，回火处理时不能在该温度范围内。第二类回火脆性指在500～560℃回火时后缓冷时出现的脆性，主要因钢中受Mn、Cr、Ni元素影响，促使Sn、Sb、P等向原奥氏体晶界偏聚。为避免这一回火脆性的出现，可采取的方法有：回火后快速冷却;如零部件的截面较大时，可加入0.5%左右的Mo、1%左右的合金元素。另外，根据回火温度，可将回火分为低温回火、中温回火、高温回火三类，对应的回火温度分别为150～250℃、350～500℃、500～650℃。其中低温回火适合应用在渗碳件、高碳钢等零件加工中。中温回火适合应用在弹簧热处理中。高温回火适合应用在齿轮、轴等零件加工中，可作为量具、高精密件的预备热处理。

3.3强力喷丸对疲劳强度影响

通过对实施普通喷丸强化工艺和强力喷丸工艺进行对比台架试验（采用同一批材料，并在同一炉零件进行渗碳热处理），强力喷丸件的弯曲疲劳寿命有明显提高弯曲疲劳寿命。在无残余应力存在的情况下，疲劳裂纹通常萌生于材料表面，而在有残余压应力存在时，疲劳源则移向次表面，并且裂纹萌生位置随着外加交应变应力的增高而逐渐移向表面，对于存在表面裂纹的情况下，残余压应力能削减外力在裂纹尖端引起的拉应力峰，或裂纹在疲劳过程中处于闭合状态，其结果使表面裂纹扩展的门槛值获得提高。

3.4非马组织对疲劳强度影响

根据许多专家分析认为产生非马氏体组织的原因是由“内氧化”造成的，即由于金属内部或者外部的原因使得在表层20-40μm范围内的组织中的Cr等元素产生氧化，使得淬硬性下降，产生三黑组织，造成表面硬度下降。同时，非马氏体组织使表面存在拉应力，使疲劳性能大幅下降。东风汽车公司关于齿轮钢渗碳后要求表面非马组织要控制在20μm以下，在正常热处理工艺条件，我们的非马组织可以控制在20μm以下。但是根据实践经验，当渗碳炉辐射管损坏较多，有一炉应为丙烷故障，在升温阶段880℃有一个碳势等待的过程时间过长，升温速度慢，结果非马组织达到了40μm，而导致该批零件报废。该零件为常规成熟生产产品，把这批零件随机挑选一件装入总成进行台架试验，结果表明，在非马超标的情况下，疲劳寿命有所降低。

结束语

综上所述，为提高机械加工零件质量及力学性能指标，更好的满足机械加工、生产要求，做好热处理加工技术尤为重要。一方面，热处理加工工艺复杂，涉及的细节较多，技术人员应明确热处理工序，把握相关工序的重点与难点。另一方面，需要技术人员做好研究，根据不同零件材质，找到合适的热处理温度，进行针对性人为干预，促进机械加工零件综合性能的进一步提升。

参考文献

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