分享：内燃机SAE1144钢凸轮轴冷加工开裂原因

(中天钢铁集团有限公司,常州 213011)

摘 要:内燃机SAE1144钢凸轮轴在冷加工过程中发生开裂。采用宏观观察、化学成分分析、 金相检验和断口分析等方法,分析了该凸轮轴开裂的原因。结果表明:该 SAE1144钢凸轮轴开裂 属于层状撕裂;在镗孔加工过程中,润滑不良和凸轮轴轴心没有对齐造成车刀切向应力过大,从而 在凸轮轴硫化物和铁素体界面处萌生裂纹,钢中存在的长条状硫化物及铁素体层状条带对裂纹的 扩展有促进作用,裂纹扩展后造成凸轮轴开裂。

关键词:SAE1144钢;镗孔加工;开裂;层状撕裂;凸轮轴 

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0045-04

易切削钢具有良好的切削加工性能[1],其切削 性能主要取决于钢中的夹杂物种类、形态、大小、数 量及分布情况[2-3]。SAE1144钢属于中碳含硫易切 削钢,是 美 国 ASTM 标 准 中 一 种 硫 质 量 分 数 为 0.30%左右的易切削钢,类似于国标的 Y40Mn钢, 该钢锰含量较高,淬透性高,经调质处理后综合力 学性能较好,具有良好的切削性能、较高的强度和硬 度[4]。SAE1144钢适用于加工刚性要求高的零件, 如丝杠、光杆、齿条和花键轴等。某内燃机凸轮轴材 料为SAE1144钢,加工工艺流程为?20mm 热轧盘 条→拉拔至?19 mm→ 矫直 → 锯切 → 表面车削至 ?18.4mm→车削端面及中心钻孔及镗孔→后续加 工。在镗孔加工时发现该凸轮轴产生裂纹,造成凸 轮轴报废。笔者采用化学成分分析、金相检验等方 法,对该凸轮轴开裂原因进行分析。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

该内 燃 机 凸 轮 轴 的 宏 观 形 貌 见 图 1,尺 寸 为 ?18mm×30mm,凸轮轴一端中间有盲孔,盲孔尺 寸为?6mm×20mm,孔壁厚为6mm。由图1可 见:该凸轮轴上有1条裂纹,其侧面裂纹沿轴向扩 展,贯穿整个零件长度;该凸轮轴盲孔端面裂纹沿径 向向内扩展,裂纹深度约为5.3mm,几乎贯穿孔壁。

1.2 化学成分分析

采用 OBM750型直读光谱仪对该内燃机凸轮轴进行化学成分分析,结果见表1,可见零件的化学 成 分 符 合 ASTM A29/A29M-16 Standard Specificationfor GeneralRequirementsforSteel Bars,Carbon and Alloy,Hot-Wrought 标 准 对 SAE1144钢的技术要求。 

1.3 金相检验

在距内燃机凸轮轴盲孔端面约10mm 处截取 横截面试样进行观察。由图2可见,裂纹开口处裂 缝宽度较大,随着裂纹的扩展,裂缝宽度逐渐减小, 裂纹内无氧化物,裂纹两侧无脱碳现象。由图3可 见,凸轮轴的显微组织为铁素体+珠光体,铁素体中 的灰色点状物为硫化物。

在内燃机凸轮轴侧面裂纹处截取纵截面试样进 行观察。由图4可见:裂纹整体呈阶梯状扩展,是由 多节纵向裂纹与剪切裂纹相互连接组成的,每一节 纵向裂纹呈近似规则的长方形,两端较平齐;纵向裂 纹沿硫化物进行扩展;纵向裂纹一侧可见长条状硫 化物。由图5可见,经4%(体积分数)硝酸酒精浸 蚀后,裂纹两侧组织为铁素体层状条带,铁素体内有长条状硫化物,纵向裂纹沿铁素体层状条带开裂。 

1.4 断口分析

将内燃机凸轮轴盲孔端面沿裂纹断开后,观察 其断口的微观形貌。由图6可见,整个断口沿纵向 呈不平整的木纹状,有明显分层现象,具有层状撕裂 的特点,断面有粗大长条状硫化物。

2 分析与讨论

内燃 机 凸 轮 轴 的 化 学 成 分 符 合 ASTM A29/ A29M-16标准对 SAE1144钢的技术要求,其显微 组织为铁素体+珠光体,其间分布着大量硫化物,这 是SAE1144钢热轧后的正常组织。 

内燃机凸轮轴侧面裂纹沿轴向呈直线状连续分 布,贯通整个凸轮轴长度,并沿盲孔端面径向向内扩 展,几乎贯穿凸轮轴孔壁。裂纹内无夹杂物,裂纹两 侧组织无异常和脱碳现象。凸轮轴的主要加工过程 为冷加工。根据裂纹形貌特征和凸轮轴加工工艺可 知,该凸轮轴表面裂纹是在冷加工应力作用下形成的,不是原材料内部存在的初始裂纹。

内燃机凸轮轴侧面裂纹由多节纵向裂纹和剪切 裂纹相互连接组成,整体呈阶梯状,每一节纵向裂纹 呈近似规则的长方形,两端较平齐。剪切裂纹是由 纵向裂纹在横向剪切力作用下被剪断形成的。纵向 裂纹端部和旁侧可见长条状硫化物,这是一种在较 高应力作用下引起的夹杂物剥离、扩展、剪切形成的 阶梯状裂纹。将凸轮轴端面沿裂纹断开后观察发 现,断面可见明显的分层现象,这符合层状撕裂裂纹 的形貌 特 征[5-8],表 明 该 凸 轮 轴 的 开 裂 属 于 层 状 撕裂。

硫系易切削钢属于高硫钢,硫元素易形成偏析, 在硫化物及其他夹杂物聚集区域易形成较高的应力 集中。层状撕裂的形成需满足以下三个条件:(1)存 在较高的应力作用;(2)钢中存在长条状硫化物或层 片状硫化物;(3)基体组织为铁素体层状条带组织。 金相检验结果表明,该凸轮轴侧面裂纹两侧的显微 组织为层状条带铁素体,铁素体内存在长条状硫化 物,裂纹沿层状条带铁素体和硫化物界面处进行扩 展。长条状硫化物和层状条带铁素体使凸轮轴在性 能上存在各向异性,同时,在硫化物聚集区域容易造 成较高的应力集中。因此,当凸轮轴受到横向冲击 力时,就极易在组织薄弱区域及硫化物聚集区域产 生裂纹。在机械加工过程(钻孔或镗孔加工)中,凸 轮轴会受到车刀的环向冲击力,冷却润滑不良和凸 轮轴轴心没有对齐会造成车刀切向应力过大,从而 在硫化物和铁素体界面处萌生裂纹,在切向应力的 继续作用下,裂纹尖端沿夹杂物所在平面进行扩展, 相邻平面上的裂纹连接成阶梯状裂纹。综合分析, 该凸轮轴侧面裂纹主要是在镗孔加工过程中形成 的,钢中存在的长条状硫化物及铁素体层状条带对 裂纹的扩展有促进作用。 

3 结论及建议

(1)内燃机 SAE1144钢凸轮轴侧面开裂属于 冷加工应力开裂,在镗孔加工过程中,润滑不良、零 件轴心没有对齐等造成车刀切向应力过大,从而在 硫化物和铁素体界面处萌生裂纹,钢中存在的长条 状硫化物及铁素体层状条带对裂纹的扩展有促进作 用,裂纹扩展后造成凸轮轴开裂。 

(2)建议严格控制镗孔加工过程中的润滑不 良、零件轴心没有对齐等问题。合理采用脱氧工艺 和保护浇铸,严格控制轧制工艺,以获得理想的纺锤状硫化物及显微组织。

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