鍛造曲軸疲勞壽命的影響因素與改善研究

梁晨希 盧春林 唐波

摘要：研究了36MnVS6鍛造曲軸表面與內(nèi)部缺陷對(duì)疲勞壽命的影響。結(jié)果表明：鍛造曲軸的主軸頸與連桿軸頸過(guò)渡區(qū)域，是疲勞斷裂集中發(fā)生的區(qū)域。該區(qū)域的表面鍛造缺陷，以及內(nèi)部組織鐵素體+珠光體內(nèi)的過(guò)量的MnS夾雜物是誘發(fā)裂紋源的主要原因。在曲軸生產(chǎn)制造過(guò)程中，減少原材料內(nèi)部夾雜物以及表面缺陷，將有利于提高曲軸疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：非調(diào)質(zhì)鋼；曲軸；疲勞壽命；MnS夾雜物

非調(diào)質(zhì)鋼36MnVS6憑借其良好的力學(xué)性能與疲勞壽命，廣泛應(yīng)用于汽車曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸等零件制造。非調(diào)質(zhì)鋼熱鍛件由于不需要鍛后熱處理，可以大大縮短生產(chǎn)周期，并節(jié)約能源。隨著感應(yīng)淬火表面硬化技術(shù)的日臻完善，非調(diào)質(zhì)鋼曲軸圓角硬化區(qū)的組織更加均勻，極大緩和了應(yīng)力集中情況，有利于提高疲勞壽命。然而，汽車技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步也對(duì)曲軸提出了更高要求，一些新技術(shù)例如發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停、低轉(zhuǎn)速渦輪增壓都需要曲軸承載更大的扭矩。如何進(jìn)一步提高曲軸的疲勞壽命，成為擺在工程技術(shù)人員面前的難題。

本文利用電磁激勵(lì)式曲軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)研究了曲軸的疲勞性能。通過(guò)分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)曲軸疲勞的薄弱位置位于主軸頸與連桿軸頸過(guò)渡區(qū)域。該區(qū)域的表面鍛造存在缺陷，例如表面磕碰傷、鍛造折疊，以及內(nèi)部組織中過(guò)量的MnS夾雜物是誘發(fā)裂紋源的主要原因。經(jīng)過(guò)和廠家的技術(shù)研討，加強(qiáng)控制原材料夾雜物以及改善鍛造零件表面狀態(tài)，將有利于提高曲軸疲勞壽命。

材料性能與試驗(yàn)方法

材料36MnVS6是鐵素體+珠光體非調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。毛坯曲軸由鍛造廠提供，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)廠粗加工、表面淬火處理、精加工成為成品曲軸，然后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。利用SincoTec公司SO150083-B 6000N·m型曲軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同扭矩下曲軸的斷裂情況。目前廣泛采用力矩-扭轉(zhuǎn)次數(shù)曲線描述曲軸疲勞強(qiáng)度。

為滿足新一代高扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求，曲軸的疲勞強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1800N·m1000萬(wàn)次斷裂概率小于10-7。當(dāng)曲軸過(guò)早產(chǎn)生裂紋時(shí)，利用Tescan VEGA3掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞斷口形貌，分析其斷裂機(jī)理。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)采用電磁激勵(lì)方式給曲軸加載扭矩，曲軸按照固定頻次往返振動(dòng)。當(dāng)曲軸表面產(chǎn)生微裂紋后，頻次監(jiān)控傳感器會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停止試驗(yàn)，記錄斷裂時(shí)的扭轉(zhuǎn)次數(shù)，試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)共計(jì)8件曲軸，第1件扭矩設(shè)定為2500N·m，然后每件依次降低100N·m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)比曲軸開(kāi)發(fā)認(rèn)可狀態(tài)的力矩-扭轉(zhuǎn)次數(shù)曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)本次疲勞試驗(yàn)的結(jié)果要低于目標(biāo)值。第8組試驗(yàn)1800N·m在228萬(wàn)次發(fā)生了提前斷裂，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的1000萬(wàn)次。

本批次曲軸疲勞裂紋集中出現(xiàn)在1PL-1HL、1PL-2HL和2PL-2HL的軸頸過(guò)渡區(qū)域。通過(guò)對(duì)比20次曲軸的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)軸頸過(guò)渡區(qū)域是疲勞斷裂集中發(fā)生的區(qū)域，如圖3所示。過(guò)渡區(qū)域承受了較大的扭矩，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，容易誘發(fā)疲勞裂紋。因此，過(guò)渡區(qū)域的表面狀態(tài)與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的缺陷將是分析疲勞強(qiáng)度不足的關(guān)鍵。

2.失效分析

選取1800N·m斷裂的曲軸，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞斷口形貌斷口，如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，曲軸的疲勞裂紋源位于表面硬化區(qū)（感應(yīng)淬火形成的馬氏體組織）與表面非硬化區(qū)（鐵素體+珠光體組織）的過(guò)渡區(qū)域。裂紋源附近有輕微的表面缺陷（見(jiàn)圖4c），表面缺陷附近可以看到細(xì)長(zhǎng)條狀的組織（見(jiàn)圖4d）。經(jīng)電子顯微鏡能譜檢測(cè)為硫化錳MnS夾雜物。這種細(xì)長(zhǎng)條組織分布在裂紋源附近并誘導(dǎo)裂紋繼續(xù)沿其分布方向擴(kuò)展。36MnVS6中含有0.05%左右微量硫元素。但是裂紋源附近集中出現(xiàn)的MnS是明顯的不良組織，會(huì)在局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。條狀分布的硫化物會(huì)對(duì)曲軸的疲勞性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。按照GB10561—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》其硫化物級(jí)別為A3級(jí)，已經(jīng)達(dá)到了零件標(biāo)準(zhǔn)的上限。

開(kāi)發(fā)階段，在36MnVS6中添加微量硫元素是為了改善非調(diào)質(zhì)鋼的機(jī)械性能，方便切削加工[2]。但是如果原材料中硫元素沒(méi)有均勻分布在組織內(nèi)部，就會(huì)在局部產(chǎn)生大量的硫化錳析出物。硫化錳具有很高的熔點(diǎn)和延展性能，一旦析出就無(wú)法消失，形成集中分布的MnS分布帶，嚴(yán)重影響材料塑性[3]。在鍛造過(guò)程中，曲軸軸頸圓角與軸頸間過(guò)渡區(qū)域的材料流動(dòng)最強(qiáng)，該區(qū)域MnS也會(huì)伴隨鍛造過(guò)程材料流動(dòng)不斷拉伸延長(zhǎng)，并集中分布在圓角、曲拐等薄弱區(qū)域，如圖5所示。

綜上所述，通過(guò)對(duì)1800N·m斷裂的曲軸斷口分析，發(fā)現(xiàn)裂紋源位于軸頸間過(guò)渡區(qū)域。該區(qū)域承載較大的扭矩，表面存在微小缺陷，裂紋源附近組織大量MnS夾雜物造成應(yīng)力集中，這一系列因素造成了該曲軸的疲勞失效。

影響曲軸疲勞壽命的因素

1.結(jié)構(gòu)與表面缺陷

應(yīng)力集中是降低疲勞壽命的主要因素。應(yīng)力集中多發(fā)生在曲軸的圓角、油孔、去重孔及表面鋼印等幾何形狀突然變化的位置[4]。因此，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)就必須考慮曲軸整體結(jié)構(gòu)的均勻性，避免應(yīng)力集中。鍛造過(guò)程中，表面微小的缺陷也容易降低疲勞壽命。特別是軸頸過(guò)渡區(qū)域，表面的磕碰傷、鍛造折疊及砂眼都是潛在的疲勞裂紋源。

2.內(nèi)部組織與夾雜物

相比鑄造曲軸，鍛造曲軸的優(yōu)勢(shì)在于反復(fù)鍛壓過(guò)程中消除內(nèi)部孔隙，組織晶粒均勻細(xì)小，力學(xué)性能良好。但相應(yīng)的缺點(diǎn)是，鍛造過(guò)程中材料流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均勻，同時(shí)對(duì)內(nèi)部的異常組織或夾雜物十分敏感。

曲軸內(nèi)部組織為珠光體加鐵素體。珠光體有良好的沖擊韌性，但耐磨性能較差，需要進(jìn)行表面感應(yīng)淬火得到馬氏體組織，提高表面硬度。在感應(yīng)淬火過(guò)程中，如果感應(yīng)加熱線圈的輸入能量、淬火溫度及冷卻液濃度設(shè)定不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部組織沒(méi)有完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而形成不良的殘余奧氏體或網(wǎng)狀屈氏體。除此之外，位于硬化層附近過(guò)量的MnS夾雜物，也會(huì)造成組織性能下降。這些都是對(duì)疲勞強(qiáng)度十分不利的因素。

提高曲軸疲勞壽命的措施

影響曲軸疲勞壽命的因素非常多，難以通過(guò)控制單一變量達(dá)到目標(biāo)，必須從原材料監(jiān)控、生產(chǎn)工藝過(guò)程改進(jìn)以及曲軸疲勞試驗(yàn)分析多個(gè)角度開(kāi)展工作。在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，通過(guò)改進(jìn)工藝過(guò)程消除問(wèn)題，并制定合理的日常監(jiān)控方法，避免問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。如果是設(shè)計(jì)問(wèn)題，應(yīng)該及時(shí)反饋給開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員從源頭消除問(wèn)題或者加嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)。在成本控制過(guò)程中，不能降低影響疲勞壽命的核心指標(biāo)，特別是應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)添加微量元素，嚴(yán)格控制鍛造溫度，嚴(yán)格按照計(jì)劃修整模具等。

1.原材料的監(jiān)控

在曲軸的加工過(guò)程之前，要充分監(jiān)控來(lái)件質(zhì)量狀態(tài)。特別是MnS夾雜物在原材料的分布情況。抽檢的位置要考慮到曲軸材料流動(dòng)性較強(qiáng)的區(qū)域，在整個(gè)截面不同位置取樣。避免漏掉MnS集中密集區(qū)域。

2.生產(chǎn)工藝過(guò)程改進(jìn)

在曲軸鍛造過(guò)程中，應(yīng)注意曲軸表面缺陷，消除表面折疊，消除較深的鋼印，消除搬運(yùn)過(guò)程中的磕碰傷。在曲軸加工過(guò)程中，應(yīng)注意感應(yīng)淬火參數(shù)的穩(wěn)定性，保證硬化層深度均勻一致。特別是曲軸圓角區(qū)域的組織均勻一致，不允許有殘余奧氏體或網(wǎng)狀屈氏體等缺陷組織。

3.曲軸疲勞試驗(yàn)的持續(xù)分析

重視曲軸疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累，統(tǒng)計(jì)扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)的運(yùn)行次數(shù)以及斷裂位置分布，用于快速對(duì)比風(fēng)險(xiǎn)批次曲軸的狀態(tài)。在發(fā)生明顯的提前斷裂時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行斷口分析，查找裂紋附近的組織缺陷，與生產(chǎn)線及供應(yīng)商開(kāi)展問(wèn)題分析，制定方案并驗(yàn)證，保證曲軸問(wèn)題得到控制。

結(jié)論

本文利用電磁激勵(lì)式曲軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)研究了曲軸的疲勞性能。通過(guò)分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)曲軸疲勞的薄弱位置位于主軸頸與連桿軸頸過(guò)渡區(qū)域。該區(qū)域的表面鍛造缺陷，例如表面磕碰傷、鍛造折疊，以及內(nèi)部組織的過(guò)量的MnS夾雜物是誘發(fā)裂紋源的主要原因。為了提高曲軸疲勞壽命，必須從原材料監(jiān)控、生產(chǎn)工藝過(guò)程改進(jìn)以及曲軸疲勞試驗(yàn)分析多個(gè)角度開(kāi)展工作，不斷優(yōu)化曲軸設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程和監(jiān)控方法。

參考文獻(xiàn)

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