汽車飛輪冷擠壓用軋輥的失效分析

萬(wàn)訓(xùn)智 ，呂 犇 ，劉 澄

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

汽車飛輪是一個(gè)圓盤狀帶齒零件，位于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的后端，是一種利用角動(dòng)量守恒來(lái)儲(chǔ)存旋轉(zhuǎn)能量的機(jī)械裝置。它將發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸和汽車變速器的變阻器連接起來(lái)，轉(zhuǎn)動(dòng)后可保持著較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸能夠慣性旋轉(zhuǎn)，從而傳遞動(dòng)力[1-2]，可以用來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的速度波動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)并減振降噪[3-5]。飛輪的質(zhì)量會(huì)直接影響汽車的性能、安全性和舒適性。飛輪由軋輥經(jīng)過(guò)多道冷擠壓工序制造而成，因此軋輥的性能對(duì)飛輪有著直接的影響。目前工業(yè)采用18CrNiMo7-6滲碳鋼來(lái)制造軋輥，由于該軋輥在飛輪成型過(guò)程中經(jīng)常承受復(fù)雜而較大的載荷，這導(dǎo)致其早期失效時(shí)常發(fā)生。軋輥的主要失效形式為疲勞和磨損[6-7]，一旦發(fā)生需要頻繁更換，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，直接導(dǎo)致加工成本提高[8]。本研究針對(duì)18CrNiMo7-6合金鋼軋輥在服役過(guò)程中的早期失效進(jìn)行分析，探究其失效的主要原因，為未來(lái)的軋輥工藝優(yōu)化以及質(zhì)量提高提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本研究采用18CrNiMo7-6低碳合金鋼制軋輥，該軋輥經(jīng)過(guò)工業(yè)上常用的滲碳淬火處理后[9]，在生產(chǎn)廠商制造飛輪服役后出現(xiàn)早期失效（其服役壽命比所要求的低5倍）。軋輥形貌特征如圖1所示，主要化學(xué)元素成分如表1所示。根據(jù)軋輥行業(yè)的現(xiàn)有規(guī)范，進(jìn)行過(guò)滲碳熱處理的軋輥需要表面硬度≥58 HRC，滲碳層深度≥3 mm。通常來(lái)講，滲碳層的硬度值要大于550 HⅤ[10]。

表1 軋輥的主要化學(xué)成分（wt/%）

圖1 失效軋輥宏觀形貌

對(duì)失效軋輥進(jìn)行逐級(jí)線切割獲得實(shí)驗(yàn)用試樣，如圖2所示。在軋輥橫截面切割一個(gè)寬度為10 mm的塊狀試樣，并在其受力最大的槽口處切割出15 mm×10 mm×9 mm的U形槽口試樣。根據(jù)金相制備的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行研磨和拋光，最后用2%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。

圖2 線切割過(guò)程示意圖

采用光學(xué)顯微鏡（Jiannan MR5000）和掃描電子顯微鏡（Gemini SEM 300）對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。根據(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》和GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用HR-150A洛氏硬度計(jì)以及MHⅤ-100顯微硬度計(jì)對(duì)其宏觀及微區(qū)硬度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

從圖1可以看出，在失效軋輥表面未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋和材料損失，如圖1（a）所示，但是在它側(cè)面，槽口處有明顯的剝落和犁溝，如圖1（b）所示。

圖3為對(duì)圖2（b）所示試樣進(jìn)行宏觀硬度測(cè)試的結(jié)果，可以看出沿B方向硬度的變化趨勢(shì)是兩邊高中間低，硬度值波動(dòng)較大，如圖3（a）所示。圖3（b）表明沿著C方向，由槽口底部向心部，硬度呈現(xiàn)先降低，然后保持一段距離后再升高的趨勢(shì)。需要指出的是，在離槽口約3 mm處硬度迅速降低。

圖3 失效軋輥的宏觀硬度

對(duì)圖2（c）試樣的C區(qū)域進(jìn)行顯微組織觀察，如圖4所示。從圖4（a）可以清楚地看出，軋輥表層的顯微組織是由典型高碳回火馬氏體（TM）、殘余奧氏體（RA）和一些碳化物組成，圖4（b）可以觀察到回火馬氏體較細(xì)，呈現(xiàn)細(xì)針狀。

圖4 失效軋輥試樣的表層顯微組織

圖5為失效軋輥的斷口形貌。從圖5（a）可以看出，裂紋從槽口底端磨損處萌生，逐漸向內(nèi)部線性擴(kuò)展。裂紋粗而長(zhǎng)，在其擴(kuò)展的過(guò)程中，伴有二次裂紋的產(chǎn)生，與主裂紋接近垂直。在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中，裂紋寬度隨著擴(kuò)展的距離逐漸減少，最終在過(guò)渡層中停止。此主裂紋長(zhǎng)度為1 600 μm，最大寬度為100 μm。從圖5（b）中主裂紋源頭可以得知，在復(fù)雜和較大的外力作用下，在凹槽表面已明顯出現(xiàn)多個(gè)早期微裂紋，并隨著外力繼續(xù)加載，這些微裂紋匯集在一起，形成主裂紋，向內(nèi)擴(kuò)展。觀察還表明，槽口處氧化現(xiàn)象較為明顯。

圖5 失效軋輥斷口形貌

沿著如圖6所示的各個(gè)箭頭方向?qū)υ嚇硬劭诟浇M(jìn)行顯微硬度測(cè)試。圖6（a）表明，對(duì)于A1線、A2線和A3線，從槽口處向內(nèi)測(cè)得橫向滲碳層厚度分別為2.50 mm、2.40 mm和1.85 mm。也就是說(shuō)，越靠近凹槽底部，滲碳層厚度將越薄。圖6（b）表明，其右側(cè)滲碳層厚度從上到下分別為2.35 mm、2.00 mm和1.70 mm?？v向線C1線、C2線和C3線，測(cè)得其滲碳層厚度分別為1.34 mm、1.17 mm和1.17 mm（圖6（c））。以上測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，在試樣的9個(gè)方向上，滲層厚度都不均勻，且都未達(dá)到滲碳層厚度3 mm的要求。

圖6 軋輥槽口周圍顯微硬度圖

如上文所述，18CrNiMo7-6鋼軋輥表面顯微組織為TM、RA以及碳化物，如圖4所示，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、硬度以及韌性。但從圖6可以看出，其槽口周邊的硬度分布極其不均勻，靠近槽口相鄰的兩個(gè)點(diǎn)硬度值相差100 HⅤ以上，同時(shí)縱向硬度波動(dòng)很大，如圖6（c）所示。當(dāng)受到循環(huán)加載和反復(fù)沖壓時(shí)，由于硬度分布不均勻極易導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而磨損失效。軋輥在服役時(shí)，不僅會(huì)受到壓應(yīng)力，還會(huì)有摩擦力、沖擊力以及交變載荷的共同作用，交替作用下，會(huì)導(dǎo)致其槽口出現(xiàn)剝落，如圖1及圖5（b）所示，這也是其早期失效的原因之一。在加工飛輪盤進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)軋輥槽口產(chǎn)生較大的沖擊力作用，因軋輥表面的高硬度區(qū)域較薄，如圖3、圖6所示，亞表層的低硬度區(qū)域無(wú)法抵抗外力，將協(xié)同表層一起發(fā)生變形，會(huì)產(chǎn)生剝落或形成微裂紋并匯集成主裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，如圖5所示。主裂紋與次裂紋近乎垂直，說(shuō)明其受載巨大，使軋輥易開裂和磨損。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)制造汽車飛輪的軋輥進(jìn)行失效分析可知，軋輥外表面并無(wú)明顯的損傷痕跡，主要失效在軋輥槽口的底部，具體結(jié)論如下。

1）軋輥槽口底部觀察到明顯的材料剝落及裂紋的萌生和擴(kuò)展。

2）主裂紋源于軋輥槽口底部即應(yīng)力最大處，長(zhǎng)度為1 600 μm，最大寬度為100 μm，伴隨有大量次生裂紋產(chǎn)生。

3）18CrNiMo7-6滲碳鋼軋輥經(jīng)滲碳淬火后，其槽口處的滲碳層厚度不均勻，且低于3 mm設(shè)計(jì)要求。同時(shí)軋輥槽口的硬度分布不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致軋輥早期失效。

4）軋輥的服役條件復(fù)雜，所受的載荷大，沖擊力強(qiáng)，應(yīng)力集中在槽口處，循環(huán)加載，易造成失效。