文/李軍迎，劉洋洋，陳學(xué)富，劉耀輝，吳傲宗·第一拖拉機(jī)股份有限公司鑄鍛廠

鴛鴦鉞為我國(guó)特有冷兵器“鉞”的一種，種類(lèi)繁多，例如子午鴛鴦鉞、子午雞爪鴛鴦鉞等，常用于暗殺、水戰(zhàn)，是“八卦門(mén)”的獨(dú)有武器。

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，曲軸質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與使用壽命。其工作環(huán)境十分惡劣，不僅要承受周期性不斷變化的交變載荷產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)和橫向與縱向振動(dòng)作用，同時(shí)還要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等多種應(yīng)力以及高溫及腐蝕的影響。因此，曲軸一般情況下要通過(guò)軸頸表面淬火和圓角滾壓、軸頸及圓角感應(yīng)淬火、離子氮化或者氮碳共滲等工藝來(lái)提高曲軸強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性。

汽車(chē)、拖拉機(jī)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(shù)低、抗咬合抗摩擦能力強(qiáng)、提高抗疲勞及耐磨性等優(yōu)異性能，同時(shí)該工藝還具有熱處理溫度低、時(shí)間短、畸變小、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

此曲軸材料為40Cr，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，曲軸整體熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，硬度要求254 ～ 285HB。表面強(qiáng)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(diào)質(zhì)→探傷→機(jī)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(jiǎn)稱(chēng)下止點(diǎn)），為曲軸危險(xiǎn)截面區(qū)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(xiàn)，根據(jù)貝紋線(xiàn)可確定斷口屬于疲勞斷口如圖2(b)所示。貝紋線(xiàn)顯示不太明顯，疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口平整，呈現(xiàn)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(xué)成分(%)

疲勞源位于連桿頸下止點(diǎn)圓角處，在圓角處自小半個(gè)圓周范圍內(nèi)均可以看到由于多處疲勞源起裂形成棱線(xiàn)，因此說(shuō)明曲軸斷口為多源疲勞，連桿頸下止點(diǎn)的半個(gè)圓周內(nèi)均為疲勞源。裂紋沿連桿頸下止點(diǎn)曲柄與軸頸圓角處延伸至軸頸表面出現(xiàn)瞬斷，瞬斷區(qū)表面較粗糙，瞬斷區(qū)域面積較大，占斷口總面積的2/3，說(shuō)明曲軸是由于負(fù)載過(guò)大或者本身材料強(qiáng)度較低導(dǎo)致的疲勞斷裂。

表面粗糙度檢測(cè)

曲軸斷口附近用在線(xiàn)測(cè)量?jī)x檢測(cè)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(jī)加工痕跡較淺，表面光滑，未見(jiàn)明顯磨損現(xiàn)象。

無(wú)損探傷

曲軸斷裂件經(jīng)CDG-4000 型熒光磁粉探傷機(jī)檢驗(yàn)，在曲軸圓角處發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，裂紋長(zhǎng)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(cè)宏觀形貌

微觀分析

化學(xué)成分檢測(cè)

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(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。曲軸材料符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

低倍組織檢測(cè)

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(yàn)曲軸材料的低倍組織試片，目視未見(jiàn)縮孔、氣泡、夾雜、裂紋、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等缺陷，酸浸低倍組織級(jí)別檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)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(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的ISO 評(píng)級(jí)圖評(píng)定樣塊非金屬夾雜物，檢測(cè)情況見(jiàn) 表3，符合材料采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

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(jìn)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(diào)質(zhì)組織。按GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》評(píng)級(jí)3 級(jí)，符合技術(shù)要求。

依據(jù)GB/T 11354-2005 《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用亞硒酸+鹽酸+乙醇溶液對(duì)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(cè)情況見(jiàn)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(xù)，但呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，用金相法測(cè)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(shù)要求。圖7 為圓角處氮化層情況，軸頸向圓角過(guò)渡區(qū)域已出現(xiàn)氮化層逐漸變淺現(xiàn)象，到圓角處已無(wú)氮化層。

表3 曲軸材料非金屬夾雜物

圖4 調(diào)質(zhì)組織金相200×

圖5 調(diào)質(zhì)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(lái)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(xù)氮化層。

硬度檢測(cè)

圖8 3#試樣不同位置氮化層深

用維氏硬度計(jì)檢測(cè)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(cè)硬度為488HV、504HV、514HV，實(shí)測(cè)硬度值為502HV，符合技術(shù)要求≥500HV；基體硬度為269HV、302HV，換算為布氏硬度值分別為255HB、285HB，滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求。

表4 性能檢測(cè)

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(jìn)行腐蝕，在金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋，裂紋開(kāi)口處位于曲軸軸頸圓角處，裂紋深度約0.2mm，裂紋開(kāi)口較小，尾部較細(xì)，裂紋形態(tài)垂直圓角向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳及氧化、氮化現(xiàn)象。裂紋形態(tài)如圖10 所示，裂紋兩側(cè)組織為回火索氏體+少量鐵素體。

性能檢測(cè)

在距小頭軸頸表面10mm處取拉伸及沖擊試棒，在WAW-Y500 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及PTM2302 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)論

曲軸斷裂原因?yàn)榈瘜由疃炔粔?，在軸頸處出現(xiàn)不連續(xù)氮化層、圓角處無(wú)氮化層，導(dǎo)致曲軸疲勞強(qiáng)度下降，因此造成曲軸從連桿頸下止點(diǎn)圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋，并在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中引起裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，引起零件完全斷裂。

針對(duì)此次出現(xiàn)曲軸斷裂失效原因的分析，提出以下改進(jìn)措施：

⑴嚴(yán)格控制裝爐前曲軸表面質(zhì)量、裝爐方式和裝爐量、爐內(nèi)溫差及氮?dú)夥?、滲氮時(shí)間和溫度；加強(qiáng)滲氮爐氣密性，保證爐內(nèi)氨氣氛均勻循環(huán)，按工藝要求控制氨分解率。

⑵結(jié)合曲軸結(jié)構(gòu)，增加隨爐試塊數(shù)量，根據(jù)爐內(nèi)氣氛循環(huán)特性，在有效空間內(nèi)放置試塊，能夠準(zhǔn)確的反映零件的氮化質(zhì)量。并通過(guò)破壞性試驗(yàn)對(duì)比試塊與產(chǎn)品氮化層層深的一致性。

⑶嚴(yán)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(guò)度拋光造成軸頸或圓角氮化層淺或不連續(xù)問(wèn)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(dòng)量恢復(fù)至正常狀態(tài)，禁止在常溫下或低溫下直接校正。校正返修的曲軸要進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)。