针对转向机横向加载试验中小齿轮发生断齿失效，采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X 射线能谱分析和维氏硬度测试等方法对小齿轮断齿原因进行分析。结果表明：齿根表面软化点及软化区域的存在是导致齿轮过载断裂的主要原因。其次，较大量的硫化物夹杂是导致齿轮断齿的另一个主要原因。

　　小齿轮是汽车转向机重要的安全零件之一。小齿轮与齿条啮合，将方向盘的手力扭矩转换为齿条的横向移动力，从而推动左右两侧拉杆并连接轮胎左右转向。反之，轮胎受路面冲击，也会通过拉杆传递给齿条，并通过小齿轮与齿条的啮合，对小齿轮施加逆向冲击力。在设计、生产小齿轮时，应保证小齿轮的强度，避免受过载冲击发生断齿失效，引起转向机故障和造成车辆驾驶事故。本文通过对汽车转向机小齿轮断齿进行失效分析，找到引起断齿失效的原因，并提出改进措施，避免小齿轮断齿现象的发生，同时为类似齿轮断齿分析提供相关借鉴。

　　一、概述

　　汽车转向机在做模拟路面逆向冲击的横向加载试验时，发生小齿轮断齿失效现象。小齿轮材料为 ZF208，斜齿轮，齿部表面经感应淬火和回火处理，表面硬度要求为 56HRC～ 61HRC，齿根部区域感应淬火深度要求 0.7mm～1.7mm。该小齿轮共有 9 齿，试验后其中 1 个齿从齿根处发生断裂，断齿宏观形貌见图 1 所示。为查明该小齿轮断齿原因，对其进行检验和分析。

图 1 小齿轮断齿宏观形貌

　　二、检验和分析

　　宏观检测和断裂起始位置确定：断口处宏观形貌见图 2，断齿发生在感应淬火段近端头侧。断面在纵向两侧向齿顶扩展，断面呈灰色，弧形对称下凹，中央顶部近齿根(A 向)相对较细，近图下侧(B 向)相对粗糙，并可见由上侧 A 向朝下侧 B 向及左右的放射状花纹，表明 A 向(圆圈区域)为断裂起始区。

图 2 小齿轮断口宏观形貌

　　扫描电镜和 X 射线能谱分析： 对断齿进行清洗和干燥，根据 JB/T 6842-1993 标准， 在扫描电镜中进行精细观察和分析。图 3 是断裂起始位置的 SEM 形貌，可清晰地看到裂纹交汇于照片底部的圆圈处，对该处进一步放大形貌如图 4 所示。图 4 中主要为穿晶断裂，并存在了大量的二次裂纹，二次裂纹表现为沿晶界扩展，这是 典型的脆性断裂特征，表明该处承受了超过材料承载能力的载荷而发生了过载断裂。在裂纹起始处可看到大量细小的韧窝，如图 5 所示，这是塑性变形的特征。同时可看到有较明显的塑变滑移线，进一步说明在裂纹起始处发生了塑性变形。按照该零件表面硬度要求，该处为硬化组织，不应发生塑性变形，若发生了塑性变形，通常是由于该处的强度不足所致。

　　图 4 中同时可见条状夹杂物分布，根据 GB/T 17359-2012 标准，对上述条状夹杂物进行 X 射线能谱分析，除可见主量元素 Fe 峰线外，还可见 S，Mn 元素峰线，表明夹杂为硫化物，能谱曲线见图 6，元素参考含量见表 1。硫化物的分布沿着齿向，靠近齿根部位存在，破坏了钢基体的均匀性和连续性，对材料的强度和疲劳性能影响较大。夹杂物的存在，还会在该处造成应力集中，容易成为疲劳源，将大大削弱该部位的抗拉强度。图 7 是断裂起始处及附近的硫化物夹杂。

　　断面金相分析：

　　在断面法向截面上进行金相分析。该区域组织分布形貌见图 8 所示，可见断面处于感应淬火层内，两侧起始区、终断区均位于齿根部。A 向起始区高倍下形貌见图 9 所示，断面表层局部沿晶分布，根据 JB/T 9204-2008 标准，表层组织为细马氏体，马氏体可评为 5 级。

　　断面中间区域组织分布形貌见图 10 所示，图上侧为感应淬火层，可见表层不甚平整，高倍下可见表层组织见图 11 所示，根据 JB/T 9204-2008 标准，可判定为马氏体+铁素体。从金相试验可知，断裂层同时存在细马氏体和马氏体+铁素体，且淬火层相对不平整，因此该区域可能存在硬度不均匀现象。

　　硬度测试：根据 GB/T 4340.1-2009 标准，沿着零件表面从断裂起始位置至齿根进行显微硬度测试，显微硬度测试位置及结果如图 12 所示。可以发现靠近表面处存在部分硬度值低于600HV 的软化点和软化区域，该现象应是淬火不均匀导致。

　　在断裂齿 A 向齿根部区域由表及里测定硬度梯度，结果见表 2。根据 GB/T 5617-2005 标准和图纸要求，最低硬度值 HVMS=615HV(56HRC)，极限硬度值 HVHL=75%×HVMS= 461HV，测得硬化层深度 DS=1.10mm，符合图纸淬火深度 0.7mm~1.7mm 的要求。

　　化学成分分析： 根据 GB/T 4336-2002 标准，在失效样件上取样进行化学分析，结果见表 3，符合图纸标准要求。

　　三、结论和建议

　　由上述测试分析可知，小齿轮断裂失效为过载断裂，断裂起始位置在靠近齿根部位。在显微硬度测试中，发现了近表面处存在软点和软组织，这是造成强度不足过载断裂的主要原因。同时，在断裂起始位置附近发现了大量的硫化物夹杂，沿着轴向分布并处于表面附近，使齿轮的承载能力大大下降，这是造成过载断裂的另一个主要原因。

　　建议进行热处理工艺时，采用高频感应淬火工艺，可使小齿轮零件表面实现组织强化，得到较高的表面硬度;同时，组织细小，强韧性配合好，具有较高的强度和多冲抗力，能满足转向小齿轮的使用性能要求。

　　建议对来料严把质量关，并定期取样检验相关成分，确保材料中无较多夹杂物。