齿轮齿条转向机构具有结构简单、构件少、质量轻、成本低以及转动效率高等优点^[1-2]，广泛应用于乘用车转向器中。而齿条是齿轮齿条式转向器中的关键主件，通过转向盘操纵转向机构的小齿轮转动，推动齿条左右移动来改变汽车行驶的方向。因此，齿条要求具有一定的刚度、高的耐磨性和疲劳强度。

S45C是日标中的一种中碳优质碳素结构钢，经调质处理后具有较高的强度和硬度及良好的塑性，因而被广泛应用于制造拉杆、转向节、驱动轴、齿条等零件^[3]。为了改善钢的切削加工性能，钢中常添加一定量的硫（0.010%~0.040%），利用细小的MnS夹杂物在奥氏体晶界析出，产生应力集中源，易于车削折断，从而改善切削加工性能^[4-5]。此外，MnS具有改善零件加工后表面光洁度的作用。同时为了细化晶粒，此类钢中通常会加入一定量的铝（0.020%~0.050%）。但此类含硫含铝钢在冶炼过程中容易生成数量较多的高熔点Al₂O₃和CaS类夹杂物，影响钢水纯净度，连铸时容易引起水口堵塞，堵塞物在钢液的持续冲刷下脱落至钢水中形成大颗粒夹杂物，严重影响后序产品质量^[6-7]。本文通过对S45C齿条表面裂纹进行宏观和微观分析来寻找裂纹产生原因，为改善S45C生产工艺提供指导。

1 实验材料与方法

某用户使用S45C圆钢生产转向器齿条，在某批次生产过程中发现齿条磁粉探伤时表面裂纹率高达8%，齿条生产工艺为：矫直→中频调质处理→检验→矫直→剥皮→矫直、滚光→去应力退火→切断→探伤→机加工→高频淬火、回火→探伤。

图 1为荧光磁粉下发现的S45C齿条表面裂纹形貌，方框内的线条为齿条裂纹，裂纹沿着齿条的纵向延伸，长度达300 mm。

对裂纹齿条取样进行化学成分分析，检测结果如表 1所示，从表 1可以看出，齿条的化学成分符合标准要求。

在图 1所示方框处垂直于裂纹方向取横截面试样，试样经200，400，800砂纸研磨、抛光，4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用LEICA DMILM型光学显微镜观察显微组织和EVO18蔡司扫描电子显微镜对裂纹位置进行显微观察。

1.1 金相组织

在图 1方框的裂纹处取2个样进行金相检测，取样位置如图 2所示。1^#样缺陷在距离表面70~170 μm位置，缺陷深度100 μm左右，2^#样缺陷在距表面40~160 μm位置，缺陷深度120 μm左右，如图 3所示。

1.2 扫描电镜分析

对1^#和2^#样进行扫描电镜分析，1^#样扫描结果如图 4和图 5所示，2^#样扫描分析结果如图 6和图 7所示。从1^#和2^#样的扫描结果看，缺陷含Ca，Mg，Al，O，S，判断缺陷为钙铝酸盐夹杂物。

2 结果与讨论

从表 1化学成分检测结果可以看出，化学成分符合标准要求，可排除由材料成分原因导致的裂纹。

从宏观上看，缺陷呈长条状分布，与圆钢轧制方向一致。从显微组织上看，缺陷距齿条表面40~70 μm位置，换算到圆钢应该是距圆钢表面0.45~0.47 mm位置，属于亚表面缺陷。结合能谱和面扫描分析结果，可以确定齿条裂纹由钙铝酸盐夹杂物引起。

此批S45C为含硫含铝钢，为细化材料组织，添加了一定量的Al（0.02%~0.04%），同时为了改善切削加工性能，还加入了一定量的S（0.020%~0.035%）。为了减少脱氧产物Al₂O₃夹杂聚集造成水口堵塞，通常需要加入一定量的钙对高熔点的Al₂O₃进行变性处理。在对钢水进行钙处理时，随着夹杂物Ca含量的增加，夹杂物逐步发生Al₂O₃→CaO·2Al₂O₃→CaO·2Al₂O₃→12CaO·7Al₂O₃→3CaO·Al₂O₃→CaO的转变。虽然理论上会有CaO产生，但有研究^[8-9]表明，生产CaO所需的平衡Ca含量很大，实际生产中加入的钙线在钢水中的溶解钙含量达不到此要求，因此，钢水中一般不会有CaO产生。不同Ca，Al比例夹杂物熔点见表 2。

由表 2可知，对铝镇静钢进行钙处理是为保持合适的Ca，Al比例，最好能形成低熔点的12CaO·7Al₂O₃，以改善钢水可浇性、使夹杂物易于上浮去除，并改变夹杂物形态，把固态氧化铝杂质转变为液态夹杂物，避免在水口黏附。

含硫钢在进行钙处理时除考虑钢中Ca，Al组分外，还要考虑S含量的影响，当钢中硫含量较高时，会发生如下反应并生成高熔点硫化钙夹杂^[8-9]：

由于钢水中Al含量高，脱氧反应产生的Al₂O₃夹杂物需通过高碱度低氧势渣去除；同时钢水中S含量高，S易与CaO反应生成CaS，需通过低碱度高氧势渣来限制CaS生成。因此，在选用精炼渣时需考虑S，Al含量。

对此炉号材料的生产过程进行跟踪，发现此炉号材料冶炼过程中的Al损比较大，从真空处理结束到连铸过程，Al损达到0.012%。而同浇次其他炉号的Al损在0.007%以内，说明此炉号钢水精炼前期脱氧效果不好，钢水氧性强，增加了钙铝酸盐夹杂物产生的概率，钙铝酸盐夹杂物产生后不断在水口富集，宏观上表现为连铸过程塞棒曲线不断上涨。当钙铝酸盐夹杂物富集到一定程度后便脱落至钢水中形成大尺寸夹杂物，宏观上表现为塞棒曲线突然下降。结合此炉钢的连铸过程塞棒曲线可以发现，此炉钢浇铸前期塞棒曲线呈上涨趋势，到连铸后期塞棒曲线突然出现一个下降趋势，说明水口富集的夹杂物脱落掉入钢水中，与前面推断相吻合。

3 结论

1）S45C齿条表面裂纹是由于齿条次表面存在钙铝酸盐夹杂物；

2）通过加强冶炼过程控制，降低钢水氧性，可减少钙铝酸盐夹杂物产生；

3）加强连铸过程监控，避免异常坯料流入下一工序，可降低齿条裂纹率。