內(nèi)燃機(jī)SAE1144鋼凸輪軸冷加工開裂原因

彭 磊,徐旋旋,戴林榮

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司,常州 213011)

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(tài)、大小、數(shù)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(biāo)準(zhǔn)中一種硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%左右的易切削鋼，類似于國標(biāo)的Y40Mn鋼，該鋼錳含量較高,淬透性高,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后綜合力學(xué)性能較好，具有良好的切削性能、較高的強(qiáng)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(nèi)燃機(jī)凸輪軸材料為SAE1144鋼，加工工藝流程為φ20 mm熱軋盤條→拉拔至φ19 mm→矯直→鋸切→表面車削至φ18.4 mm→車削端面及中心鉆孔及鏜孔→后續(xù)加工。在鏜孔加工時發(fā)現(xiàn)該凸輪軸產(chǎn)生裂紋，造成凸輪軸報廢。筆者采用化學(xué)成分分析、金相檢驗等方法，對該凸輪軸開裂原因進(jìn)行分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該內(nèi)燃機(jī)凸輪軸的宏觀形貌見圖1，尺寸為φ18 mm×30 mm，凸輪軸一端中間有盲孔，盲孔尺寸為φ6 mm×20 mm，孔壁厚為6 mm。由圖1可見：該凸輪軸上有1條裂紋，其側(cè)面裂紋沿軸向擴(kuò)展，貫穿整個零件長度；該凸輪軸盲孔端面裂紋沿徑向向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋深度約為5.3 mm，幾乎貫穿孔壁。

圖1 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸不同位置處裂紋的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用OBM750型直讀光譜儀對該內(nèi)燃機(jī)凸輪軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見零件的化學(xué)成分符合ASTM A29/A29M-16StandardSpecificationforGeneralRequirementsforSteelBars,CarbonandAlloy，Hot-Wrought標(biāo)準(zhǔn)對SAE1144鋼的技術(shù)要求。

表1 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸的化學(xué)成分

1.3 金相檢驗

在距內(nèi)燃機(jī)凸輪軸盲孔端面約10 mm處截取橫截面試樣進(jìn)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(kuò)展，裂縫寬度逐漸減小，裂紋內(nèi)無氧化物，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)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(diǎn)狀物為硫化物。

圖2 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸盲孔端面裂紋不同位置處的微觀形貌

圖3 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸的顯微組織

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

圖4 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸側(cè)面裂紋的微觀形貌(拋光態(tài))

圖5 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸側(cè)面裂紋處的微觀形貌(腐蝕態(tài))

1.4 斷口分析

將內(nèi)燃機(jī)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(xiàn)象，具有層狀撕裂的特點(diǎn)，斷面有粗大長條狀硫化物。

圖6 將內(nèi)燃機(jī)凸輪軸盲孔端面沿裂紋斷開后的斷口微觀形貌

2 分析與討論

內(nèi)燃機(jī)凸輪軸的化學(xué)成分符合ASTM A29/A29M-16標(biāo)準(zhǔn)對SAE1144鋼的技術(shù)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(nèi)燃機(jī)凸輪軸側(cè)面裂紋沿軸向呈直線狀連續(xù)分布，貫通整個凸輪軸長度，并沿盲孔端面徑向向內(nèi)擴(kuò)展，幾乎貫穿凸輪軸孔壁。裂紋內(nèi)無夾雜物，裂紋兩側(cè)組織無異常和脫碳現(xiàn)象。凸輪軸的主要加工過程為冷加工。根據(jù)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(yīng)力作用下形成的，不是原材料內(nèi)部存在的初始裂紋。

內(nèi)燃機(jī)凸輪軸側(cè)面裂紋由多節(jié)縱向裂紋和剪切裂紋相互連接組成，整體呈階梯狀，每一節(jié)縱向裂紋呈近似規(guī)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?？v向裂紋端部和旁側(cè)可見長條狀硫化物，這是一種在較高應(yīng)力作用下引起的夾雜物剝離、擴(kuò)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(fā)現(xiàn)，斷面可見明顯的分層現(xiàn)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(qū)域易形成較高的應(yīng)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(yīng)力作用；(2)鋼中存在長條狀硫化物或?qū)悠瑺盍蚧铮?3)基體組織為鐵素體層狀條帶組織。金相檢驗結(jié)果表明，該凸輪軸側(cè)面裂紋兩側(cè)的顯微組織為層狀條帶鐵素體，鐵素體內(nèi)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(jìn)行擴(kuò)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(qū)域容易造成較高的應(yīng)力集中。因此，當(dāng)凸輪軸受到橫向沖擊力時，就極易在組織薄弱區(qū)域及硫化物聚集區(qū)域產(chǎn)生裂紋。在機(jī)械加工過程(鉆孔或鏜孔加工)中，凸輪軸會受到車刀的環(huán)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(yīng)力過大，從而在硫化物和鐵素體界面處萌生裂紋，在切向應(yīng)力的繼續(xù)作用下，裂紋尖端沿夾雜物所在平面進(jìn)行擴(kuò)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(cè)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(kuò)展有促進(jìn)作用。

3 結(jié)論及建議

(1)內(nèi)燃機(jī)SAE1144鋼凸輪軸側(cè)面開裂屬于冷加工應(yīng)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(yīng)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(kuò)展有促進(jìn)作用，裂紋擴(kuò)展后造成凸輪軸開裂。

(2)建議嚴(yán)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(hù)澆鑄，嚴(yán)格控制軋制工藝，以獲得理想的紡錘狀硫化物及顯微組織。