氮化曲軸失效分析與改進

文/李軍迎，劉洋洋，陳學富，劉耀輝，吳傲宗·第一拖拉機股份有限公司鑄鍛廠

鴛鴦鉞為我國特有冷兵器“鉞”的一種，種類繁多，例如子午鴛鴦鉞、子午雞爪鴛鴦鉞等，常用于暗殺、水戰，是“八卦門”的獨有武器。

曲軸是發動機的核心零部件，曲軸質量的優劣直接影響到發動機的性能與使用壽命。其工作環境十分惡劣，不僅要承受周期性不斷變化的交變載荷產生的扭轉和橫向與縱向振動作用，同時還要承受彎曲、扭轉、沖擊等多種應力以及高溫及腐蝕的影響。因此，曲軸一般情況下要通過軸頸表面淬火和圓角滾壓、軸頸及圓角感應淬火、離子氮化或者氮碳共滲等工藝來提高曲軸強度、剛性、韌性和耐磨性。

汽車、拖拉機曲軸往往采用氮碳共滲處理，其滲層雖然很薄，但具有摩擦系數低、抗咬合抗摩擦能力強、提高抗疲勞及耐磨性等優異性能，同時該工藝還具有熱處理溫度低、時間短、畸變小、節能效果顯著等優點，應用比較廣泛。

圖1 曲軸結構簡圖

此曲軸材料為40Cr，其結構簡圖如圖1 所示，曲軸整體熱處理方式為調質處理，硬度要求254 ～ 285HB。表面強化熱處理工藝為氮碳共滲，滲層深度≥0.4mm，表面硬度≥500HV。主要工藝流程為：下料→加熱→鍛造→正火→調質→探傷→機加工→氮碳共滲(軟氮化)→精加工(軸頸拋光)。

斷口分析

斷口宏觀分析

曲軸斷口位于輸出端第三主軸頸與第二連桿頸交接圓角處（以下簡稱下止點），為曲軸危險截面區域，斷口與曲軸軸向成一定角度(約45°)，宏觀形貌如圖2 所示。在斷口上可觀察到疲勞貝紋線，根據貝紋線可確定斷口屬于疲勞斷口如圖2(b)所示。貝紋線顯示不太明顯，疲勞擴展區斷口平整，呈現高周疲勞斷裂特征。

圖2 曲軸斷裂宏觀形貌

表1 曲軸的化學成分(%)

疲勞源位于連桿頸下止點圓角處，在圓角處自小半個圓周范圍內均可以看到由于多處疲勞源起裂形成棱線，因此說明曲軸斷口為多源疲勞，連桿頸下止點的半個圓周內均為疲勞源。裂紋沿連桿頸下止點曲柄與軸頸圓角處延伸至軸頸表面出現瞬斷，瞬斷區表面較粗糙，瞬斷區域面積較大，占斷口總面積的2/3，說明曲軸是由于負載過大或者本身材料強度較低導致的疲勞斷裂。

表面粗糙度檢測

曲軸斷口附近用在線測量儀檢測零件表面粗糙度，表面粗糙度Ra 的值為1.59μm，觀察顯示，表面機加工痕跡較淺，表面光滑，未見明顯磨損現象。

無損探傷

曲軸斷裂件經CDG-4000 型熒光磁粉探傷機檢驗，在曲軸圓角處發現橫向裂紋，裂紋長度約40mm，沿曲軸連桿頸徑向分布，如圖3 所示。

圖3 曲軸斷裂處磁粉檢測宏觀形貌

微觀分析

化學成分檢測

在距曲軸表面20mm 處取試樣，采用碳硫分析儀和直讀光譜儀進行化學成分檢測，結果見表1。曲軸材料符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》標準要求。

低倍組織檢測

在曲軸軸頸處取φ110mm×15mm的低倍試樣，用50%的熱鹽酸浸蝕后檢驗曲軸材料的低倍組織試片，目視未見縮孔、氣泡、夾雜、裂紋、翻皮、白點、晶間裂紋等缺陷，酸浸低倍組織級別檢測結果見表2，結果顯示曲軸材料符合要求。

表2 曲軸的低倍組織

非金屬夾雜物

曲軸軸向取樣，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》的ISO 評級圖評定樣塊非金屬夾雜物，檢測情況見 表3，符合材料采購標準。

金相組織

在斷口處分別取1#、2#、3#試樣，用蔡司Axio Lab A1 金相顯微鏡進行金相分析。1#試樣基體金相組織為均勻的回火索氏體+少量貝氏體和鐵素體，為正常的調質組織。按GB/T 13320-2007《鋼質模鍛件金相組織評級圖及評定方法》評級3 級，符合技術要求。

依據GB/T 11354-2005 《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》標準規定，使用亞硒酸+鹽酸+乙醇溶液對試樣腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察各試樣氮化層情況：2#試樣取樣位置為裂紋源處，其氮化層深檢測情況見圖6、圖7：從圖6 中可以看出，軸頸表面有明顯氮化層，氮化層連續，但呈現不均勻狀態，用金相法測量其層深，層深范圍0.15～0.2mm，低于曲軸氮化層深≥0.4mm 的技術要求。圖7 為圓角處氮化層情況，軸頸向圓角過渡區域已出現氮化層逐漸變淺現象，到圓角處已無氮化層。

表3 曲軸材料非金屬夾雜物

圖4 調質組織金相200×

圖5 調質組織金相500×

圖6 2#試樣軸頸氮化層深

圖7 2#試樣圓角氮化層深

3#試樣取樣位置為曲軸軸頸，氮化層情況如圖8 所示，從金相組織來看，該處氮化層層深明顯要淺于2#試樣位置，其層深約0.003mm，并且軸頸不同位置伴隨有不連續氮化層。

硬度檢測

圖8 3#試樣不同位置氮化層深

用維氏硬度計檢測零件表面硬度及基體硬度，如圖9 所示。垂直于氮化軸頸表面檢測硬度為488HV、504HV、514HV，實測硬度值為502HV，符合技術要求≥500HV；基體硬度為269HV、302HV，換算為布氏硬度值分別為255HB、285HB，滿足產品技術要求。

表4 性能檢測

圖9 曲軸表面硬度及基體硬度

圖10 裂紋微觀形貌

在曲軸裂紋處取一試樣，制樣后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，在金相顯微鏡下觀察發現表面存在裂紋，裂紋開口處位于曲軸軸頸圓角處，裂紋深度約0.2mm，裂紋開口較小，尾部較細，裂紋形態垂直圓角向內部擴展，裂紋兩側無脫碳及氧化、氮化現象。裂紋形態如圖10 所示，裂紋兩側組織為回火索氏體+少量鐵素體。

性能檢測

在距小頭軸頸表面10mm處取拉伸及沖擊試棒，在WAW-Y500 微機控制電液伺服萬能試驗機及PTM2302 擺錘式沖擊試驗機進行檢測，結果見表4。

結論

曲軸斷裂原因為氮化層深度不夠，在軸頸處出現不連續氮化層、圓角處無氮化層，導致曲軸疲勞強度下降，因此造成曲軸從連桿頸下止點圓角處產生疲勞裂紋，并在運轉過程中引起裂紋失穩擴展，引起零件完全斷裂。

針對此次出現曲軸斷裂失效原因的分析，提出以下改進措施：

⑴嚴格控制裝爐前曲軸表面質量、裝爐方式和裝爐量、爐內溫差及氮氣氛、滲氮時間和溫度；加強滲氮爐氣密性，保證爐內氨氣氛均勻循環，按工藝要求控制氨分解率。

⑵結合曲軸結構，增加隨爐試塊數量，根據爐內氣氛循環特性，在有效空間內放置試塊，能夠準確的反映零件的氮化質量。并通過破壞性試驗對比試塊與產品氮化層層深的一致性。

⑶嚴格控制曲軸氮化后軸頸拋光工藝，在保證零件粗糙度要求的情況下，避免過度拋光造成軸頸或圓角氮化層淺或不連續問題。

⑷因氮化畸變量超差的曲軸，可采用“胎具支撐+二次氮化”的工藝方式，使跳動量恢復至正常狀態，禁止在常溫下或低溫下直接校正。校正返修的曲軸要進行磁粉探傷檢測。