摘 要:內燃機SAE1144鋼凸輪軸在冷加工過程中發生開裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、 金相檢驗和斷口分析等方法,分析了該凸輪軸開裂的原因。結果表明:該 SAE1144鋼凸輪軸開裂 屬于層狀撕裂;在鏜孔加工過程中,潤滑不良和凸輪軸軸心沒有對齊造成車刀切向應力過大,從而 在凸輪軸硫化物和鐵素體界面處萌生裂紋,鋼中存在的長條狀硫化物及鐵素體層狀條帶對裂紋的 擴展有促進作用,裂紋擴展后造成凸輪軸開裂。 

關鍵詞:SAE1144鋼;鏜孔加工;開裂;層狀撕裂;凸輪軸 

中圖分類號:TG115                   文獻標志碼:B                        文章編號:1001-4012(2022)01-0045-04

易切削鋼具有良好的切削加工性能[1],其切削 性能主要取決于鋼中的夾雜物種類、形態、大小、數 量及分布情況[2-3]。SAE1144鋼屬于中碳含硫易切 削鋼,是 美 國 ASTM 標 準 中 一 種 硫 質 量 分 數 為 0.30%左右的易切削鋼,類似于國標的 Y40Mn鋼, 該鋼錳含量較高,淬透性高,經調質處理后綜合力 學性能較好,具有良好的切削性能、較高的強度和硬 度[4]。SAE1144鋼適用于加工剛性要求高的零件, 如絲杠、光桿、齒條和花鍵軸等。某內燃機凸輪軸材 料為SAE1144鋼,加工工藝流程為?20mm 熱軋盤 條→拉拔至?19 mm→ 矯直 → 鋸切 → 表面車削至 ?18.4mm→車削端面及中心鉆孔及鏜孔→后續加 工。在鏜孔加工時發現該凸輪軸產生裂紋,造成凸 輪軸報廢。筆者采用化學成分分析、金相檢驗等方 法,對該凸輪軸開裂原因進行分析。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

該內 燃 機 凸 輪 軸 的 宏 觀 形 貌 見 圖 1,尺 寸 為 ?18mm×30mm,凸輪軸一端中間有盲孔,盲孔尺 寸為?6mm×20mm,孔壁厚為6mm。由圖1可 見:該凸輪軸上有1條裂紋,其側面裂紋沿軸向擴 展,貫穿整個零件長度;該凸輪軸盲孔端面裂紋沿徑 向向內擴展,裂紋深度約為5.3mm,幾乎貫穿孔壁。

1.2 化學成分分析 

采用 OBM750型直讀光譜儀對該內燃機凸輪軸進行化學成分分析,結果見表1,可見零件的化學 成 分 符 合 ASTM A29/A29M-16 Standard Specificationfor GeneralRequirementsforSteel Bars,Carbon and Alloy,Hot-Wrought 標 準 對 SAE1144鋼的技術要求。

1.3 金相檢驗 

在距內燃機凸輪軸盲孔端面約10mm 處截取 橫截面試樣進行觀察。由圖2可見,裂紋開口處裂 縫寬度較大,隨著裂紋的擴展,裂縫寬度逐漸減小, 裂紋內無氧化物,裂紋兩側無脫碳現象。由圖3可 見,凸輪軸的顯微組織為鐵素體+珠光體,鐵素體中 的灰色點狀物為硫化物。 

在內燃機凸輪軸側面裂紋處截取縱截面試樣進 行觀察。由圖4可見:裂紋整體呈階梯狀擴展,是由 多節縱向裂紋與剪切裂紋相互連接組成的,每一節 縱向裂紋呈近似規則的長方形,兩端較平齊;縱向裂 紋沿硫化物進行擴展;縱向裂紋一側可見長條狀硫 化物。由圖5可見,經4%(體積分數)硝酸酒精浸 蝕后,裂紋兩側組織為鐵素體層狀條帶,鐵素體內有長條狀硫化物,縱向裂紋沿鐵素體層狀條帶開裂。 

1.4 斷口分析 

將內燃機凸輪軸盲孔端面沿裂紋斷開后,觀察 其斷口的微觀形貌。由圖6可見,整個斷口沿縱向 呈不平整的木紋狀,有明顯分層現象,具有層狀撕裂 的特點,斷面有粗大長條狀硫化物。

2 分析與討論 

內燃 機 凸 輪 軸 的 化 學 成 分 符 合 ASTM A29/ A29M-16標準對 SAE1144鋼的技術要求,其顯微 組織為鐵素體+珠光體,其間分布著大量硫化物,這 是SAE1144鋼熱軋后的正常組織。 

內燃機凸輪軸側面裂紋沿軸向呈直線狀連續分 布,貫通整個凸輪軸長度,并沿盲孔端面徑向向內擴 展,幾乎貫穿凸輪軸孔壁。裂紋內無夾雜物,裂紋兩 側組織無異常和脫碳現象。凸輪軸的主要加工過程 為冷加工。根據裂紋形貌特征和凸輪軸加工工藝可 知,該凸輪軸表面裂紋是在冷加工應力作用下形成的,不是原材料內部存在的初始裂紋。

內燃機凸輪軸側面裂紋由多節縱向裂紋和剪切 裂紋相互連接組成,整體呈階梯狀,每一節縱向裂紋 呈近似規則的長方形,兩端較平齊。剪切裂紋是由 縱向裂紋在橫向剪切力作用下被剪斷形成的。縱向 裂紋端部和旁側可見長條狀硫化物,這是一種在較 高應力作用下引起的夾雜物剝離、擴展、剪切形成的 階梯狀裂紋。將凸輪軸端面沿裂紋斷開后觀察發 現,斷面可見明顯的分層現象,這符合層狀撕裂裂紋 的形貌 特 征[5-8],表 明 該 凸 輪 軸 的 開 裂 屬 于 層 狀 撕裂。

硫系易切削鋼屬于高硫鋼,硫元素易形成偏析, 在硫化物及其他夾雜物聚集區域易形成較高的應力 集中。層狀撕裂的形成需滿足以下三個條件:(1)存 在較高的應力作用;(2)鋼中存在長條狀硫化物或層 片狀硫化物;(3)基體組織為鐵素體層狀條帶組織。 金相檢驗結果表明,該凸輪軸側面裂紋兩側的顯微 組織為層狀條帶鐵素體,鐵素體內存在長條狀硫化 物,裂紋沿層狀條帶鐵素體和硫化物界面處進行擴 展。長條狀硫化物和層狀條帶鐵素體使凸輪軸在性 能上存在各向異性,同時,在硫化物聚集區域容易造 成較高的應力集中。因此,當凸輪軸受到橫向沖擊 力時,就極易在組織薄弱區域及硫化物聚集區域產 生裂紋。在機械加工過程(鉆孔或鏜孔加工)中,凸 輪軸會受到車刀的環向沖擊力,冷卻潤滑不良和凸 輪軸軸心沒有對齊會造成車刀切向應力過大,從而 在硫化物和鐵素體界面處萌生裂紋,在切向應力的 繼續作用下,裂紋尖端沿夾雜物所在平面進行擴展, 相鄰平面上的裂紋連接成階梯狀裂紋。綜合分析, 該凸輪軸側面裂紋主要是在鏜孔加工過程中形成 的,鋼中存在的長條狀硫化物及鐵素體層狀條帶對 裂紋的擴展有促進作用。 

3 結論及建議 

(1)內燃機 SAE1144鋼凸輪軸側面開裂屬于 冷加工應力開裂,在鏜孔加工過程中,潤滑不良、零 件軸心沒有對齊等造成車刀切向應力過大,從而在 硫化物和鐵素體界面處萌生裂紋,鋼中存在的長條 狀硫化物及鐵素體層狀條帶對裂紋的擴展有促進作 用,裂紋擴展后造成凸輪軸開裂。 

(2)建議嚴格控制鏜孔加工過程中的潤滑不 良、零件軸心沒有對齊等問題。合理采用脫氧工藝 和保護澆鑄,嚴格控制軋制工藝,以獲得理想的紡錘狀硫化物及顯微組織。

參考文獻: 

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<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 1期 (pp:45-48)>