摘 要:內(nèi)燃機(jī)SAE1144鋼凸輪軸在冷加工過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗(yàn)和斷口分析等方法,分析了該凸輪軸開(kāi)裂的原因。結(jié)果表明:該 SAE1144鋼凸輪軸開(kāi)裂 屬于層狀撕裂;在鏜孔加工過(guò)程中,潤(rùn)滑不良和凸輪軸軸心沒(méi)有對(duì)齊造成車(chē)刀切向應(yīng)力過(guò)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(zhǎng)條狀硫化物及鐵素體層狀條帶對(duì)裂紋的 擴(kuò)展有促進(jìn)作用,裂紋擴(kuò)展后造成凸輪軸開(kāi)裂。 

關(guān)鍵詞:SAE1144鋼;鏜孔加工;開(kāi)裂;層狀撕裂;凸輪軸 

中圖分類(lèi)號(hào):TG115                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                        文章編號(hào):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(lèi)、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(guó) ASTM 標(biāo) 準(zhǔn) 中 一 種 硫 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.30%左右的易切削鋼,類(lèi)似于國(guó)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?20mm 熱軋盤(pán) 條→拉拔至?19 mm→ 矯直 → 鋸切 → 表面車(chē)削至 ?18.4mm→車(chē)削端面及中心鉆孔及鏜孔→后續(xù)加 工。在鏜孔加工時(shí)發(fā)現(xiàn)該凸輪軸產(chǎn)生裂紋,造成凸 輪軸報(bào)廢。筆者采用化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)等方 法,對(duì)該凸輪軸開(kāi)裂原因進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

該內(nèi) 燃 機(jī) 凸 輪 軸 的 宏 觀 形 貌 見(jiàn) 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(jiàn):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(gè)零件長(zhǎng)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5.3mm,幾乎貫穿孔壁。

1.2 化學(xué)成分分析 

采用 OBM750型直讀光譜儀對(duì)該內(nèi)燃機(jī)凸輪軸進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1,可見(jiàn)零件的化學(xué) 成 分 符 合 ASTM A29/A29M-16 Standard Specificationfor GeneralRequirementsforSteel Bars,Carbon and Alloy,Hot-Wrought 標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) SAE1144鋼的技術(shù)要求。

1.3 金相檢驗(yàn) 

在距內(nèi)燃機(jī)凸輪軸盲孔端面約10mm 處截取 橫截面試樣進(jìn)行觀察。由圖2可見(jiàn),裂紋開(kāi)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(wú)氧化物,裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象。由圖3可 見(jiàn),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。 

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(jiàn):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(zhǎng)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(jiàn)長(zhǎng)條狀硫 化物。由圖5可見(jiàn),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(zhǎng)條狀硫化物,縱向裂紋沿鐵素體層狀條帶開(kāi)裂。 

1.4 斷口分析 

將內(nèi)燃機(jī)凸輪軸盲孔端面沿裂紋斷開(kāi)后,觀察 其斷口的微觀形貌。由圖6可見(jiàn),整個(gè)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(zhǎng)條狀硫化物。

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(duì) 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(gè)凸輪軸長(zhǎng)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(wú)夾雜物,裂紋兩 側(cè)組織無(wú)異常和脫碳現(xiàn)象。凸輪軸的主要加工過(guò)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(zhǎng)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(jiàn)長(zhǎng)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(kāi)后觀察發(fā) 現(xiàn),斷面可見(jiàn)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(kāi) 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(mǎn)足以下三個(gè)條件:(1)存 在較高的應(yīng)力作用;(2)鋼中存在長(zhǎng)條狀硫化物或?qū)?片狀硫化物;(3)基體組織為鐵素體層狀條帶組織。 金相檢驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí),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(shí),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(guò)程(鉆孔或鏜孔加工)中,凸 輪軸會(huì)受到車(chē)刀的環(huán)向沖擊力,冷卻潤(rùn)滑不良和凸 輪軸軸心沒(méi)有對(duì)齊會(huì)造成車(chē)刀切向應(yīng)力過(guò)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(guò)程中形成 的,鋼中存在的長(zhǎng)條狀硫化物及鐵素體層狀條帶對(duì) 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(kāi)裂屬于 冷加工應(yīng)力開(kāi)裂,在鏜孔加工過(guò)程中,潤(rùn)滑不良、零 件軸心沒(méi)有對(duì)齊等造成車(chē)刀切向應(yīng)力過(guò)大,從而在 硫化物和鐵素體界面處萌生裂紋,鋼中存在的長(zhǎng)條 狀硫化物及鐵素體層狀條帶對(duì)裂紋的擴(kuò)展有促進(jìn)作 用,裂紋擴(kuò)展后造成凸輪軸開(kāi)裂。 

(2)建議嚴(yán)格控制鏜孔加工過(guò)程中的潤(rùn)滑不 良、零件軸心沒(méi)有對(duì)齊等問(wèn)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。

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