范杰

摘要：曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的構(gòu)成部分之一，曲軸性能的好壞將直接對(duì)整個(gè)車輛的使用壽命造成影響。文章首先對(duì)球墨鑄鐵曲軸的重要意義以及疲勞斷裂的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，指出球墨鑄鐵曲軸疲勞失效并斷裂的主要影響因素有兩個(gè)方面，其一是鑄造缺陷，其二是熱處理工藝。文章重點(diǎn)研究了以上兩個(gè)方面影響因素對(duì)球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的影響機(jī)制與對(duì)應(yīng)關(guān)系，望能夠通過(guò)改進(jìn)鑄造質(zhì)量，同時(shí)合理應(yīng)用熱處理工藝的方式，達(dá)到提高球墨鑄鐵曲軸抗疲勞性能，延長(zhǎng)其使用壽命的目的。

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵曲軸 疲勞強(qiáng)度 鑄造缺陷 熱處理工藝 影響

本次研究中重點(diǎn)從鑄造缺陷以及熱處理工藝這兩個(gè)角度入手，分析相關(guān)因素對(duì)球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的影響，認(rèn)為需要通過(guò)改善鑄造質(zhì)量，同時(shí)合理應(yīng)用正火、中頻表面淬火、等溫淬火以及氧氮化處理工藝的方式，達(dá)到提高球墨鑄鐵曲軸抗疲勞強(qiáng)度，改善其力學(xué)綜合性能，延長(zhǎng)曲軸使用壽命的目的。

1 球墨鑄鐵曲軸概述

隨著汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和船舶工業(yè)等的迅速發(fā)展，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)年需求量達(dá)6000多萬(wàn)臺(tái)，居世界第一位，曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，在能量轉(zhuǎn)換和功率輸出過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。新型中等功率發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸向節(jié)能環(huán)保、高功率密度方向發(fā)展，使曲軸承受的載荷提高了45%～67%，這就要求曲軸具有更好的力學(xué)性能。在曲軸工作過(guò)程當(dāng)中，會(huì)承受大量的負(fù)荷，同時(shí)其所承受的彎矩作用力也有不斷變化的特點(diǎn)，在這種因素影響下，導(dǎo)致曲軸容易出現(xiàn)疲勞斷裂的失效現(xiàn)象，對(duì)曲軸的使用有非常不良的影響。在常規(guī)工藝條件下，曲軸的失效形式主要有兩種類型：第一是磨損，第二是斷裂。針對(duì)磨損失效問(wèn)題，可以通過(guò)重新配置軸瓦的方式繼續(xù)投入使用，但對(duì)于斷裂失效問(wèn)題而言，一旦發(fā)生便無(wú)法修復(fù)。從這一角度上來(lái)說(shuō)，疲勞斷裂是曲軸發(fā)生失效現(xiàn)象的最主要原因。造成球墨鑄鐵曲軸出現(xiàn)疲勞斷裂問(wèn)題的因素眾多，主要可以劃分為鑄造缺陷以及熱處理缺陷這兩個(gè)方面。

2 鑄造缺陷對(duì)球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的影響分析

2.1 生鐵中磷含量對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響

對(duì)于球墨鑄鐵爐料而言，其中的生鐵成分、回爐鐵成分以及廢鋼中的磷成分在鐵水熔煉過(guò)程當(dāng)中會(huì)以恒定量的方式得到保留。同時(shí)，過(guò)量的磷成分多富集于晶界，主要表現(xiàn)形式為二元磷共晶或者是三元磷共晶。無(wú)論其表現(xiàn)為哪種形式，都具有脆性相的特點(diǎn)，由此會(huì)導(dǎo)致球墨鑄鐵的塑性指標(biāo)明顯降低，最終誘發(fā)曲軸的早期斷裂。已有研究中對(duì)發(fā)生斷裂問(wèn)題的曲軸進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示：曲軸正火采用部分奧氏體化工藝，通過(guò)此種方式獲得鐵素體組織（此類鐵素體組織多為破碎形態(tài)）。但從斷軸分析的角度上來(lái)說(shuō)，此部分檢出的磷成分含量多在0.07～0.10%范圍內(nèi)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)所得出的結(jié)果反映，該曲軸正常運(yùn)行工況條件下的疲勞強(qiáng)度極限值僅為8050.0kg·cm，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。其原因在于曲軸制造使用了本地生鐵作為的球鐵爐料。在取消該環(huán)節(jié)后曲軸質(zhì)量自然可得到提高。

2.2 鑄造縮松對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響

已有研究資料中報(bào)道某廠曲軸曾大量出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。從曲軸外觀上觀察得知，導(dǎo)致斷裂的主要原因是在曲軸連桿軸頸位置有鑄造縮松問(wèn)題，且肉眼可見(jiàn)。分析其成因是：在冷鐵供應(yīng)存在問(wèn)題的條件下，曲軸造型省略了補(bǔ)縮所使用的冷鐵。在恢復(fù)冷鐵工藝后，曲軸鑄造縮松問(wèn)題得到了圓滿的解決。由此可見(jiàn)，鑄造縮松對(duì)于曲軸疲勞強(qiáng)度的影響是非常顯著的。

2.3 黑色帶層及灰斑對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響

在常規(guī)工藝條件下，球墨鑄鐵曲軸斷口多呈現(xiàn)出灰色或銀灰色，曲軸本體以及抗拉試棒斷口同樣應(yīng)當(dāng)有此類表現(xiàn)。對(duì)于黑色帶層問(wèn)題而言，其主要是受到灰斑在疲勞試驗(yàn)曲軸軸頸往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的影響而形成的，而灰斑的產(chǎn)生則主要是受到了鐵水中硅偏析的影響。以往研究中在對(duì)某批次球墨鑄鐵曲軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)曲軸斷面出現(xiàn)了異常的黑色層以及灰斑。雖然此種問(wèn)題在球墨鑄鐵曲軸中相對(duì)比較少見(jiàn)，但同樣屬于內(nèi)部缺陷的一種表現(xiàn)形式，此問(wèn)題的出現(xiàn)導(dǎo)致了曲軸疲勞強(qiáng)度受到不良影響，有黑色帶層或灰斑問(wèn)題的曲軸在正常使用過(guò)程當(dāng)中可能提前出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致抗疲勞強(qiáng)度的下降。

3 熱處理工藝對(duì)球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的影響分析

3.1 正火和中頻淬火工藝對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響

已有研究中顯示，對(duì)于球墨鑄鐵曲軸而言，在經(jīng)過(guò)高溫正火處理后，能夠?qū)⑵渲兴嬖诘挠坞x狀態(tài)滲碳體消除掉，從而能夠起到調(diào)整基體中鐵素體以及珠光體形態(tài)，以及兩者構(gòu)成比例的目的。通過(guò)這種方式，使球墨鑄鐵曲軸的綜合力學(xué)性能得到了提升，促進(jìn)了抗疲勞強(qiáng)度的改善。同時(shí)，在球墨鑄鐵曲軸制造過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)進(jìn)行中頻淬火處理的方式，能夠使球墨鑄鐵曲軸表面形成具有一定深度的淬硬層，其對(duì)于改善曲軸自身耐磨性能有重要意義。但也有研究中認(rèn)為：傳統(tǒng)的非圓角淬火工藝下會(huì)導(dǎo)致曲軸淬火區(qū)與非淬火區(qū)交界位置產(chǎn)生失衡且反向的應(yīng)力關(guān)系，并對(duì)疲勞強(qiáng)度造成不良影響。因此，在引入中頻淬火工藝的過(guò)程當(dāng)中，需要盡量選擇圓角淬火工藝，達(dá)到滿意的處理效果。

3.2 等溫淬火工藝對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響

在球墨鑄鐵曲軸的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)應(yīng)用等溫淬火工藝的方式，能夠使曲軸獲得主要的貝氏體成分，同時(shí)還可形成一定的馬氏體組織以及殘余奧氏體組織，力學(xué)性能上具有較高的強(qiáng)度以及韌性水平。已有研究資料中報(bào)道，針對(duì)受到化學(xué)成分偏離影響而造成球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的不足的問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用等溫淬火工藝的方式，解決了曲軸在熱處理上的質(zhì)量問(wèn)題。等溫淬火工藝的應(yīng)用除了對(duì)改善球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度水平以外，還對(duì)提高曲軸自身耐磨性有重要價(jià)值，由此也有效延長(zhǎng)了曲軸的使用壽命，綜合效益確切。

3.3 氧氮化工藝對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響

從化學(xué)處理的角度上來(lái)說(shuō)，在球墨鑄鐵曲軸的制造生產(chǎn)工藝中，通過(guò)對(duì)曲軸進(jìn)行氧氮化處理的方式，能夠使曲軸表面獲得具有高氮特點(diǎn)的化合物層，同時(shí)還可形成具有飽和特點(diǎn)的氧擴(kuò)散層。受到氧成分以及氮成分滲入的影響，使得球墨鑄鐵曲軸表面層的化學(xué)成分發(fā)生改變，與之相對(duì)應(yīng)的顯微結(jié)構(gòu)也有了非常顯著的提升趨勢(shì)，曲軸整體的耐磨性能以及耏疲勞性能均得到了有效的改善。需要注意的一點(diǎn)是，對(duì)于經(jīng)過(guò)氧氮化處理的球墨鑄鐵曲軸而言，其抗疲勞水平的提高很大程度上會(huì)受到氧化層擴(kuò)散水平的影響，在氮化處理后快速冷卻，并在擴(kuò)散層中形成飽和固溶體，或是形成高水平的殘余壓應(yīng)力都能夠促進(jìn)疲勞強(qiáng)度的提高。正是由于在氧氮化工藝處理下，曲軸表面能夠形成較深的擴(kuò)散層，故而對(duì)延長(zhǎng)球墨鑄鐵使用壽命也有相當(dāng)重要的意義與價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合本文以上分析認(rèn)為：對(duì)于球墨鑄鐵曲軸而言，斷裂是其運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中最主要的失效形式。解決并最大限度避免曲軸失效問(wèn)題的方法在于彌補(bǔ)鑄造缺陷，同時(shí)對(duì)熱處理工藝進(jìn)行合理改進(jìn)。本次研究中重點(diǎn)從鑄造缺陷以及熱處理工藝這兩個(gè)角度入手，分析以上因素對(duì)球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的影響，指出可以通過(guò)彌補(bǔ)鑄造缺陷，同時(shí)合理應(yīng)用正火、中頻表面淬火、等溫淬火以及氧氮化處理的方式，促進(jìn)球墨鑄鐵曲軸疲勞強(qiáng)度水平的提升，同時(shí)改善曲軸的耐磨性，延長(zhǎng)球墨鑄鐵曲軸的使用壽命，發(fā)揮更加確切的使用價(jià)值。

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