汽車飛輪冷擠壓用軋輥的失效分析

萬訓智 ，呂 犇 ，劉 澄

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

汽車飛輪是一個圓盤狀帶齒零件，位于汽車發動機的后端，是一種利用角動量守恒來儲存旋轉能量的機械裝置。它將發動機的曲軸和汽車變速器的變阻器連接起來，轉動后可保持著較大的轉動慣量，使發動機曲軸能夠慣性旋轉，從而傳遞動力[1-2]，可以用來減少發動機運轉過程的速度波動，使發動機運轉平穩并減振降噪[3-5]。飛輪的質量會直接影響汽車的性能、安全性和舒適性。飛輪由軋輥經過多道冷擠壓工序制造而成，因此軋輥的性能對飛輪有著直接的影響。目前工業采用18CrNiMo7-6滲碳鋼來制造軋輥，由于該軋輥在飛輪成型過程中經常承受復雜而較大的載荷，這導致其早期失效時常發生。軋輥的主要失效形式為疲勞和磨損[6-7]，一旦發生需要頻繁更換，嚴重影響生產效率，直接導致加工成本提高[8]。本研究針對18CrNiMo7-6合金鋼軋輥在服役過程中的早期失效進行分析，探究其失效的主要原因，為未來的軋輥工藝優化以及質量提高提供幫助。

1 實驗材料與方法

本研究采用18CrNiMo7-6低碳合金鋼制軋輥，該軋輥經過工業上常用的滲碳淬火處理后[9]，在生產廠商制造飛輪服役后出現早期失效（其服役壽命比所要求的低5倍）。軋輥形貌特征如圖1所示，主要化學元素成分如表1所示。根據軋輥行業的現有規范，進行過滲碳熱處理的軋輥需要表面硬度≥58 HRC，滲碳層深度≥3 mm。通常來講，滲碳層的硬度值要大于550 HⅤ[10]。

表1 軋輥的主要化學成分（wt/%）

圖1 失效軋輥宏觀形貌

對失效軋輥進行逐級線切割獲得實驗用試樣，如圖2所示。在軋輥橫截面切割一個寬度為10 mm的塊狀試樣，并在其受力最大的槽口處切割出15 mm×10 mm×9 mm的U形槽口試樣。根據金相制備的標準對試樣進行研磨和拋光，最后用2%硝酸酒精溶液進行腐蝕。

圖2 線切割過程示意圖

采用光學顯微鏡（Jiannan MR5000）和掃描電子顯微鏡（Gemini SEM 300）對試樣的顯微組織進行觀察。根據GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》和GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用HR-150A洛氏硬度計以及MHⅤ-100顯微硬度計對其宏觀及微區硬度進行測試。

2 結果與討論

從圖1可以看出，在失效軋輥表面未發現明顯的裂紋和材料損失，如圖1（a）所示，但是在它側面，槽口處有明顯的剝落和犁溝，如圖1（b）所示。

圖3為對圖2（b）所示試樣進行宏觀硬度測試的結果，可以看出沿B方向硬度的變化趨勢是兩邊高中間低，硬度值波動較大，如圖3（a）所示。圖3（b）表明沿著C方向，由槽口底部向心部，硬度呈現先降低，然后保持一段距離后再升高的趨勢。需要指出的是，在離槽口約3 mm處硬度迅速降低。

圖3 失效軋輥的宏觀硬度

對圖2（c）試樣的C區域進行顯微組織觀察，如圖4所示。從圖4（a）可以清楚地看出，軋輥表層的顯微組織是由典型高碳回火馬氏體（TM）、殘余奧氏體（RA）和一些碳化物組成，圖4（b）可以觀察到回火馬氏體較細，呈現細針狀。

圖4 失效軋輥試樣的表層顯微組織

圖5為失效軋輥的斷口形貌。從圖5（a）可以看出，裂紋從槽口底端磨損處萌生，逐漸向內部線性擴展。裂紋粗而長，在其擴展的過程中，伴有二次裂紋的產生，與主裂紋接近垂直。在裂紋擴展的過程中，裂紋寬度隨著擴展的距離逐漸減少，最終在過渡層中停止。此主裂紋長度為1 600 μm，最大寬度為100 μm。從圖5（b）中主裂紋源頭可以得知，在復雜和較大的外力作用下，在凹槽表面已明顯出現多個早期微裂紋，并隨著外力繼續加載，這些微裂紋匯集在一起，形成主裂紋，向內擴展。觀察還表明，槽口處氧化現象較為明顯。

圖5 失效軋輥斷口形貌

沿著如圖6所示的各個箭頭方向對試樣槽口附近進行顯微硬度測試。圖6（a）表明，對于A1線、A2線和A3線，從槽口處向內測得橫向滲碳層厚度分別為2.50 mm、2.40 mm和1.85 mm。也就是說，越靠近凹槽底部，滲碳層厚度將越薄。圖6（b）表明，其右側滲碳層厚度從上到下分別為2.35 mm、2.00 mm和1.70 mm。縱向線C1線、C2線和C3線，測得其滲碳層厚度分別為1.34 mm、1.17 mm和1.17 mm（圖6（c））。以上測試結果說明，在試樣的9個方向上，滲層厚度都不均勻，且都未達到滲碳層厚度3 mm的要求。

圖6 軋輥槽口周圍顯微硬度圖

如上文所述，18CrNiMo7-6鋼軋輥表面顯微組織為TM、RA以及碳化物，如圖4所示，應具有較高的強度、硬度以及韌性。但從圖6可以看出，其槽口周邊的硬度分布極其不均勻，靠近槽口相鄰的兩個點硬度值相差100 HⅤ以上，同時縱向硬度波動很大，如圖6（c）所示。當受到循環加載和反復沖壓時，由于硬度分布不均勻極易導致應力集中，進而磨損失效。軋輥在服役時，不僅會受到壓應力，還會有摩擦力、沖擊力以及交變載荷的共同作用，交替作用下，會導致其槽口出現剝落，如圖1及圖5（b）所示，這也是其早期失效的原因之一。在加工飛輪盤進行高速運動時，會對軋輥槽口產生較大的沖擊力作用，因軋輥表面的高硬度區域較薄，如圖3、圖6所示，亞表層的低硬度區域無法抵抗外力，將協同表層一起發生變形，會產生剝落或形成微裂紋并匯集成主裂紋向內擴展，如圖5所示。主裂紋與次裂紋近乎垂直，說明其受載巨大，使軋輥易開裂和磨損。

3 結語

綜上所述，通過對制造汽車飛輪的軋輥進行失效分析可知，軋輥外表面并無明顯的損傷痕跡，主要失效在軋輥槽口的底部，具體結論如下。

1）軋輥槽口底部觀察到明顯的材料剝落及裂紋的萌生和擴展。

2）主裂紋源于軋輥槽口底部即應力最大處，長度為1 600 μm，最大寬度為100 μm，伴隨有大量次生裂紋產生。

3）18CrNiMo7-6滲碳鋼軋輥經滲碳淬火后，其槽口處的滲碳層厚度不均勻，且低于3 mm設計要求。同時軋輥槽口的硬度分布不均勻，易產生應力集中，導致軋輥早期失效。

4）軋輥的服役條件復雜，所受的載荷大，沖擊力強，應力集中在槽口處，循環加載，易造成失效。