發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸短里程失效原因分析

王旭陽(yáng)，于曉東，孫軍，呂世杰，劉增輝

天潤(rùn)曲軸股份有限公司 山東威海 264413

內(nèi)燃機(jī)在工作時(shí)，曲軸承受著周期性變化的氣體壓力和活塞連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力，其工作環(huán)境非常惡劣。曲軸長(zhǎng)期受到周期性的彎曲、扭轉(zhuǎn)和振動(dòng)等復(fù)雜載荷的作用，極易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、彎曲變形甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂[1-2]。某非調(diào)質(zhì)鋼曲軸運(yùn)行了約2萬(wàn)km，在第4主軸承圓角附近斷裂，第4主軸承軸頸磨損出現(xiàn)溝槽，軸頸表面燒傷至黑色，如圖1所示。曲軸加工的主要工藝流程：鍛造→控溫冷卻→表面淬火→回火→機(jī)加工。

圖1 失效曲軸

1 研究方法

使用ARL EasySpark 1160直讀光譜儀檢驗(yàn)化學(xué)成分，使用HBS-3000布氏硬度計(jì)、HV-50型維氏硬度計(jì)、MTS C43拉伸試驗(yàn)機(jī)等檢驗(yàn)材料的力學(xué)性能，使用ZEISS Axio Observer D1M顯微鏡觀察斷口附近的顯微組織。通過(guò)以上方法，分析查找曲軸失效的原因。

2 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀斷口觀察

對(duì)斷口表面進(jìn)行觀察，軸頸表面燒蝕呈黑色并拉出溝槽，如圖2所示。從斷口形態(tài)看，失效模式為彎扭復(fù)合斷裂，裂紋源區(qū)位于第4主軸承圓角附近，源區(qū)有疲勞擴(kuò)展痕跡；瞬斷區(qū)面積約占斷面的2/3，解理斷裂特征明顯，推測(cè)斷裂時(shí)的應(yīng)力較大[3]。

圖2 斷面及燒蝕軸頸

2.2 化學(xué)成分檢驗(yàn)

在第4主斷裂位置附近的曲柄取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1，符合技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 顯微組織觀察

從斷口裂紋源處取樣，使用2%的硝酸乙醇浸蝕，腐蝕后的淬火區(qū)如圖3所示，可見(jiàn)軸頸正常淬火區(qū)出現(xiàn)一層白亮區(qū)。依據(jù)GB/T 6394—2002和GB/T 13320—1991評(píng)判基體組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度7～7.5級(jí)（技術(shù)要求5～8級(jí)），帶狀組織1級(jí)，如圖4a所示。依據(jù)JB/T 9211—1999評(píng)判淬火區(qū)組織為6級(jí)馬氏體，如圖4b所示。圖4c為軸頸淬火區(qū)與白亮區(qū)的交界，圖4d為軸頸燒蝕位置的白亮區(qū)，圖4e為白亮區(qū)放大，組織粗大，可見(jiàn)晶粒輪廓，并出現(xiàn)魏氏體組織[4]。

圖3 腐蝕后的淬火區(qū)

圖4 淬火區(qū)及基體組織

2.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

從失效曲軸后端大盤(pán)位置取軸向拉伸試樣，按照GB/T 228—2002規(guī)定的方法加工，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，符合技術(shù)要求。

2.5 淬火層深檢驗(yàn)

按照GB/T 5617—2005規(guī)定的測(cè)定方法，分別對(duì)失效軸頸及正常軸頸進(jìn)行淬火層硬度梯度檢驗(yàn)。如圖5所示，拉傷軸頸表面1000μm以?xún)?nèi)出現(xiàn)明顯的硬度降低，硬度曲線近似呈拋物線形，隨著深度增加，軸頸燒蝕的影響逐漸變小。

圖5 軸頸淬火層深

3 分析及改進(jìn)

3.1 原因分析

曲軸斷面在裂紋源附近出現(xiàn)很小區(qū)域的疲勞擴(kuò)展區(qū)，隨后是以解理斷裂特征為主的瞬斷區(qū)，可判斷失效屬于高應(yīng)力、低周疲勞斷裂[5]。第4主軸頸燒蝕至黑色，表面出現(xiàn)拉傷溝槽，而斷口沒(méi)出現(xiàn)因高溫導(dǎo)致的氧化色。因此，判斷曲軸斷裂在軸頸燒蝕后。軸頸近表面淬火區(qū)組織粗大，局部出現(xiàn)魏氏體組織；軸頸燒蝕位置硬度在1000μm內(nèi)出現(xiàn)大幅降低，這些都是軸頸燒蝕過(guò)程中表面溫度急劇升高造成的。

曲軸斷裂的直接原因?yàn)檩S頸燒蝕。因軸頸表面存在圓周方向不均勻分布的連續(xù)或斷續(xù)溝槽，即出現(xiàn)拉瓦，可以推斷事故發(fā)生瞬間潤(rùn)滑系中存在硬質(zhì)異物[6]。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.2 改進(jìn)建議

1）發(fā)動(dòng)機(jī)廠家應(yīng)嚴(yán)格控制曲軸、連桿等部件的清潔度，曲軸、連桿等零件需嚴(yán)格清洗，不允許有毛刺等易脫落硬質(zhì)異物。

2）在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中嚴(yán)格控制異物，比如砂粒、鋼屑、裝配工具老化產(chǎn)生的碎屑等。

3）用戶(hù)應(yīng)按規(guī)定時(shí)間和里程保養(yǎng)，尤其是新車(chē)磨合期后，應(yīng)及早更換潤(rùn)滑油，避免油底殼中磨損的金屬粉末、沖刷的微小毛刺嵌入軸瓦或堵塞油道。