汽車轉向機小齒輪斷齒失效分析

匡立文，楊衛祥

（博世華域轉向系統有限公司，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、生產小齒輪時，應保證小齒輪的強度，避免受過載沖擊發生斷齒失效，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，避免小齒輪斷齒現象的發生，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，發生小齒輪斷齒失效現象。小齒輪材料為ZF208，斜齒輪，齒部表面經感應淬火和回火處理，表面硬度要求為56HRC～61HRC，齒根部區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（圓圈區域）為斷裂起始區。

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，不應發生塑性變形，若發生了塑性變形，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。該區域組織分布形貌見圖8所示，可見斷面處于感應淬火層內，兩側起始區、終斷區均位于齒根部。A向起始區高倍下形貌見圖9所示，斷面表層局部沿晶分布，根據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，因此該區域可能存在硬度不均勻現象。

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

圖11 斷面中間區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。可以發現靠近表面處存在部分硬度值低于600HV的軟化點和軟化區域，該現象應是淬火不均勻導致。

在斷裂齒A向齒根部區域由表及里測定硬度梯度，結果見表2。根據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，發現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現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.