汽車曲軸失效分析

林棟，徐俊峰，鄧軍偉，蔡嬋嬋

曲軸是汽車發(fā)動機(jī)最重要、最關(guān)鍵的零件，也是其核心運(yùn)動部件。曲軸生產(chǎn)質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動機(jī)的性能及壽命。巴西生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)曲軸在運(yùn)行很短時間后，發(fā)生斷裂（見圖1、圖2）。本文通過對斷裂曲軸進(jìn)行的宏觀、微觀和化學(xué)成分等方面的綜合分析，找出失效發(fā)動機(jī)曲軸斷裂的主要原因，為以后曲軸質(zhì)量的改善提供依據(jù)。

1.檢測結(jié)果與分析

（1）化學(xué)成分分析 試樣的化學(xué)成分見表1。從表1中可以明顯看出，化學(xué)成分各元素含量符合技術(shù)要求。

（2）宏觀分析 曲軸是在第3連桿軸頸斷裂失效，而不是在更高負(fù)載的后部第6連桿。裂紋源的位置不在關(guān)鍵的感應(yīng)淬火圓角位置，而是在鍛造面上（見圖2～圖5），因此，故障位置顯示斷裂的根本原因是曲軸的質(zhì)量問題，而不是由于發(fā)動機(jī)過載斷裂。

從圖3、圖4可以看出，裂紋由多條裂紋源引發(fā)，且裂紋源均在4主軸頸凸臺上部的膀臂上，裂紋面檢查發(fā)現(xiàn)光滑的彎曲疲勞破壞，顯示一個非常大的疲勞裂紋增長。由此推斷認(rèn)為是發(fā)動機(jī)運(yùn)行很短時間后，裂紋迅速擴(kuò)展并最后斷裂。曲軸瞬斷區(qū)面積較小，可以判定曲軸在使用過程中受到外力作用并不大，這也說明不是由于發(fā)動機(jī)過載引起斷裂。

圖1 斷裂曲軸宏觀照片

圖2 斷裂軸頸宏觀照片

圖3 斷裂位置宏觀照片

圖4 斷裂部位宏觀照片

圖5 斷裂軸頸宏觀照片

表1 試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

從圖2、圖3、圖5中可看出，該曲軸第4主軸頸和第3連桿軸頸發(fā)生拉瓦現(xiàn)象，軸頸拉瓦劃痕較深，軸頸表面顏色較黑。主軸頸斷裂一側(cè)的凸臺有燒傷痕跡，但是沒有劃痕現(xiàn)象，其他軸頸較好，無拉瓦、燒瓦等痕跡。圖5中用4%的硝酸酒精侵蝕后發(fā)現(xiàn)，圓角位置淬火層輪廓良好，軸頸位置有明顯的二次淬火現(xiàn)象。

（3）淬火深度和淬火輪廓分析 第4主軸分解、取樣對淬火層進(jìn)行檢驗(yàn)，取樣位置分別見圖6、圖7。1#試樣淬火層輪廓形狀良好，圓角部位淬火層輪廓飽滿圓潤，軸頸部位淬火層有輕微的馬鞍形。2#試樣淬火層輪廓形狀良好，圓角淬火層輪廓圓潤飽滿，而軸頸部位明顯有兩次淬火的痕跡，即二次淬火。

圖6 1#試樣取樣位置和淬火層形狀

圖7 2#試樣取樣位置和淬火層形狀

表2 4主軸淬火層深度

表3 4主軸淬火層輪廓深度

依據(jù)GB/T5617－2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》檢測方法，對淬火層深度進(jìn)行梯度檢測，檢測結(jié)果見表2。從表2中可以看出，1#、2#試樣圓角位置淬火層深度都滿足技術(shù)要求。

1#試樣軸頸位置淬火層深度為0mm，淬火層各個位置硬度都低于49HRC。

2#試樣軸頸淬火層深度大于6mm，從圖7中可以看出，軸頸兩次淬火層重疊，且二次淬火層深度明顯大于一次淬火層。所以2#試樣軸頸淬火層深度檢測的是二次淬火層深度。

淬火層輪廓深度的檢測結(jié)果見表3。從表3中可以看出，圓角和軸頸淬火層輪廓深度都符合技術(shù)要求。

（4）微觀分析 對1#試樣軸頸淬火層進(jìn)行金相檢測，發(fā)現(xiàn)軸頸表面金相組織主要由粗大馬氏體、少量鐵素體組成，往里則依次出現(xiàn)索氏體、珠光體、鐵素體等組織，具體見圖8。軸頸表面有輕微的脫碳現(xiàn)象，脫碳層最深約39μm。

產(chǎn)生這種組織的原因主要是軸頸與軸瓦之間缺少潤滑油，軸頸與軸瓦之間無法形成油膜，造成二者之間干摩擦。當(dāng)曲軸軸頸和連桿軸頸的油道或油孔堵塞，造成發(fā)動機(jī)曲軸軸頸與軸瓦之間由于沒有油膜保護(hù)而出現(xiàn)嚴(yán)重干磨，接觸表面達(dá)到極限高溫，曲軸頸與軸瓦之間就相互咬死、燒結(jié)，在軸頸表面發(fā)生二次淬火及高溫回火。當(dāng)軸頸表面層的瞬間溫度超過鋼的Ac1點(diǎn)，軸頸表面就會出現(xiàn)二次淬火馬氏體，而在軸頸表層下由于溫度梯度大，時間短，只能形成高溫回火組織。這就是為什么1#試樣淬火區(qū)出現(xiàn)索氏體，2#試樣出現(xiàn)二次淬火組織的原因。

2.討論

從化學(xué)成分、宏觀斷口、淬火深度和淬火輪廓、淬火層金相組織檢測結(jié)果來看，無法找出曲軸斷裂的真正原因。

隨后又對斷裂部位進(jìn)行深入研究，目視檢查發(fā)現(xiàn)曲軸1連桿軸頸兩側(cè)曲柄鍛造幾何尺寸與各連桿軸頸曲柄鍛造幾何尺寸（包括斷裂位置曲柄鍛造幾何尺寸）明顯不同，見圖9。從圖9中可以看出，第一連桿軸頸兩側(cè)曲柄鍛造幾何尺寸過渡平穩(wěn)，而其余連桿軸頸兩側(cè)曲柄鍛造幾何尺寸明顯與圖樣技術(shù)要求（見圖10）不相符。從圖10中可以明顯看出，實(shí)際鍛造輪廓與技術(shù)要求相差較大，本應(yīng)平穩(wěn)過渡的失效位置，成為有幾何形狀的削弱位置。其中鍛件輪廓削弱最明顯的是在6曲柄，即第3連桿軸頸和第4主軸軸頸間曲柄。這說明模具設(shè)計不合理。

在失效位置切取試樣，進(jìn)行微觀分析，結(jié)果詳見圖11。從圖中可以明顯看出，試樣表面有明顯脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約388μm。

圖8 1#試樣軸頸金相

圖9 曲柄實(shí)際鍛造幾何尺寸示意

脫碳是鋼材加熱時表面碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳層的組織特征：脫碳層由于碳被氧化，反映在化學(xué)成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數(shù)量較正常組織少；反映在力學(xué)性能上其強(qiáng)度或硬度較正常組織低。

零件上不加工的部分（黑皮部分）脫碳層全部保留在零件上，這將使性能下降，疲勞強(qiáng)度降低，導(dǎo)致零件在使用中過早地發(fā)生疲勞損壞。

為驗(yàn)證疲勞強(qiáng)度，對失效曲軸鍛造曲柄輪廓良好的第1連桿軸頸和鍛造曲柄輪廓不好的第6連桿軸頸進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)果見表4。從表4中可看出，鍛造曲柄輪廓不好的第6連桿軸頸疲勞強(qiáng)度（失效狀態(tài)見圖12）明顯比鍛造曲柄輪廓良好的第1連桿軸頸差。

3.解決措施

（1）改進(jìn)模具，對與技術(shù)要求不符的位置進(jìn)行改進(jìn)。

（2）防止脫碳。對策主要有以下幾方面：工件加熱時，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時間，合理地選擇加熱速度以縮短加熱的總時間； 造成及控制適當(dāng)?shù)募訜釟夥眨钩尸F(xiàn)中性或采用保護(hù)性氣體加熱，為此可改進(jìn)加熱爐；熱壓力加工過程中，如果因?yàn)橐恍┡既灰蛩厥股a(chǎn)中斷，應(yīng)降低爐溫以待生產(chǎn)恢復(fù)，如停頓時間很長，則應(yīng)將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫；高溫加熱時，鋼的表面利用覆蓋物及涂料保護(hù)以防止氧化和脫碳。

圖10 曲柄鍛造幾何尺寸

圖11 失效位置金相照片

圖12 6連桿軸頸失效狀態(tài)

表4 疲勞試驗(yàn)

4.結(jié)語

（1）疲勞斷裂源頭發(fā)生在設(shè)計不合理的表面而不是加工和淬火的圓角半徑，這表明，設(shè)計不合理的表面有一個低于預(yù)期的疲勞強(qiáng)度，所以必須在產(chǎn)品設(shè)計中加以重視。

（2）在鍛造過程中的控制水平不高，導(dǎo)致產(chǎn)品的脫碳層偏厚，表面組織與心部組織產(chǎn)生較大的差異，也是造成產(chǎn)品強(qiáng)度偏低的一個因素，必須加強(qiáng)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。20140415