45钢齿条断裂分析及改进措施

摘 要：某款齿轮齿条式转向器配套车型在行驶时，转向器内齿条零部件发生断裂。为查清断裂原因，我公司采用光谱仪、显微镜、硬度计等检测设备以及手段对断裂部位其进行了检测和分析。发现该齿条断裂是由于设计选材直径不合理，受力部位强度较低，热处理工艺不恰当，经分析受力薄弱环节和断裂零部件位置相一致。后续从多个方面进行改进、改善，将通过增加该款齿轮齿条动力转向器齿条薄弱环节的直径，改善热处理工艺，提高齿条强度，进行实验发现并未发生异常断裂情况，故我司解决了该项目的零部件断裂问题。

关键词：转向器齿条；断裂；分析

Abstract： When a certain rack and pinion steering gear supporting model is driving， the rack and pinion parts in the steering gear are broken. In order to find out the cause of fracture， our company uses spectrometer， microscope， hardness tester and other testing equipment and means to detect and analyze the fracture part. It is found that the rack fracture is due to the unreasonable design and material diameter， the low strength of the stressed part， and the improper heat treatment process. The follow-up will be improved and improved from many aspects， and the heat treatment process will be improved by increasing the diameter of the weak link of the rack and pinion of the rack and pinion power steering device， and the strength of the rack will be improved.

齿轮齿条式动力转向器多种车型中应用。齿条是转向器中的关键零部件，在整个转向器中起到驱动的作用。某款车型转向器的齿条使用调制后 45钢毛坯材料，机加工后对齿条齿部进行表面热处理，采用的是高频淬火和回火工艺，目的是为了使齿条受力部位表面具有高硬度，使性能符合使用要求。但该零部件配套车型在行驶技术要求内公里数时，齿条发生破坏性断裂，此类情况属早期断裂。为查清原因，对断裂齿条进行失效分析。

（一）齿条断裂分析

1、化学成分分析

通过光谱仪检测，对断裂件断口部位化学成分进行分析。45号钢的主要化学成分包括碳、硅、锰、钼等。其中，碳是45号钢中最主要的元素，占总成分的0.42％；硅是45号钢中重要的元素，可以增加钢的抗硬度和耐磨性，占总成分的0.30％；锰、钼分别占总成分的0.90％、0.5％[1]。符合图纸以及使用技术要求。

2、硬度检测

使用显微维氏硬度计对齿部表面硬度和心部表面分别进行硬度检测，表面硬度 670HV，心部硬度 250HV，齿侧部淬硬层深度为6mm，齿根部淬硬层深度为0.5mm，均符合图纸以及相关使用技术要求。

4、机械性能检测

在齿条断裂部位取样，后在拉伸试验机上进行拉伸试验，其发现该破裂件的抗拉强度均符合标准以及相关技术要求

5、金相检测

金相是指金属或合金材料的内部结构，即金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态。金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体，奥氏体，铁素体，珠光体等，金属材料的显微组织直接影响到机械零件的性能和使用寿命，金相分析是控制机械零件内在质量的一种重要手段。在断裂部位进行取样，子断裂部位检测经发现表面金相显微组织为回火马氏体，芯部显微组织为回火索氏体，其和标准对照，晶粒度以及金相等级均属于标准范围内。

（二）分析与讨论

从材料成分、硬度、机械性能、金相组织合格，均无异常；从断口处，齿条受到弯曲内应力，在反复作用下应力释放产生裂纹，导致齿条发生断裂，由于材质为45号钢，其淬透性较差，该毛坯有可能在进行调质处理时，调质层未能达到要求部位，在感应加热时会产生热应力区，如果该区域没有达到调质组织，是该部位的强度降低。进而会有产生裂纹的风险，从而发生断裂。在上述分析试验表明，产生裂纹的原因包含热处理工艺就是淬火过程中组织应力超过了材料抗拉强度［2］。解决的方法主要有两方面：一是降低组织应力，二是提高热影响区材料抗拉强度，或两方面同时采取措施。

（三）改进设计

经改进后齿条直径变大，齿形重新设计。对后续材料使用毛坯的调质状态进行严格的检查，在热处理工艺的选择上我们将齿条表面硬度进行调整为600-640HV为的是降低淬火时的组织应力［3］。后续在一些软件进行受力分析时，实验中施加极限实验条件，齿条最大应力出现在齿中部，最大应力符合设计要求。

（四）结语

通过对断裂齿条的材料成分、硬度、机械性能、金相组织、强度进行分析，查出了原因，并通过重新设计齿条薄弱环节部位，改善齿条表面硬度，来提高齿条强度，在后续的一年产品使用过程中未出现断裂事故，进一步证明了此次改进的有效性。

参考文献

[1]王昆林.材料工程基础（第 2 版）[M].北京：清华大学出版社，2009.

［2］李鹏志、齐红梅．４５号钢轴类零件淬火裂纹形成原因及预防措施［Ｊ］．河北工业科技，２００８（３）：１５３－１５５．

［3］宋涛，顾 军．热 处 理 技 术［Ｍ］．北 京：化 学 工 业 出 版 社，２００３．