摘 要:內(nèi)燃機(jī)SAE1144鋼凸輪軸在冷加工過程中發(fā)生開裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗和斷口分析等方法,分析了該凸輪軸開裂的原因。結(jié)果表明:該 SAE1144鋼凸輪軸開裂 屬于層狀撕裂;在鏜孔加工過程中,潤滑不良和凸輪軸軸心沒有對齊造成車刀切向應(yīng)力過大,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。 

關(guān)鍵詞:SAE1144鋼;鏜孔加工;開裂;層狀撕裂;凸輪軸 

中圖分類號:TG115                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                        文章編號: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、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 數(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?20mm 熱軋盤 條→拉拔至?19 mm→ 矯直 → 鋸切 → 表面車削至 ?18.4mm→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 ?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: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5.3mm,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-16 Standard Specificationfor GeneralRequirementsforSteel Bars,Carbon and Alloy,Hot-Wrought 標(biāo) 準(zhǔn) 對 SAE1144鋼的技術(shù)要求。

1.3 金相檢驗 

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,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: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。 

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,斷面有粗大長條狀硫化物。

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 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。縱向 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)?片狀硫化物;(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。

參考文獻(xiàn): 

[1] 張賢忠,周桂峰,陳慶豐,等.一種新型含硫易切削鋼 的顯微組織和力學(xué)性能[J].機(jī)械工程材料,2010,34 (6):61-63,66. 

[2] 吳曉春,周宏,吳秀英,等.易切削系非調(diào)質(zhì)塑料模具 鋼的加工性[J].機(jī)械工程材料,1996,20(1):39-42. 

[3] 高佩,陳康敏,戴起勛,等.圓珠筆頭用新型易切削不 銹鋼的組織與切削性能[J].機(jī)械工程材料,2010,34 (9):41-45. 

[4] 呂澤安,倪紅衛(wèi),張華,等.利用硫化物改善鋼性能的 應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料與冶金學(xué)報,2015,14(1):51- 57. 

[5] 謝文良,漠洱.影響層狀撕裂的冶金因素[J].國外艦 船技術(shù)(材料類),1980(2):1-8,18. 

[6] 張百達(dá),張 炯.層 狀 撕 裂 斷 口 特 征 [J].船 舶 工 程, 1983,5(2):47-51,6. 

[7] 郭萍萍,李立明,伍鯤鵬,等.低合金高強(qiáng)鋼中厚板焊 縫層 狀 撕 裂 產(chǎn) 生 機(jī) 理 及 預(yù) 防 措 施 [J].焊 接 技 術(shù), 2019,48(11):77-80. 

[8] 李國忠,盧明霞,王新社,等.SAE1141H 鋼花鍵軸熱 處理后開裂原因分析[J].金屬熱處理,2009,34(7): 106-109.

<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 1期 (pp:45-48)>