鉻對凸輪軸三點彎曲斷裂載荷的影響

沈保羅，李 莉，岳昌林，高致文，劉大川，王 偉

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

鉻對凸輪軸三點彎曲斷裂載荷的影響

沈保羅，李 莉，岳昌林，高致文，劉大川，王 偉

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

凸輪軸在服役過程中承受彎曲和扭轉的復雜交變載荷，凸輪軸異常斷裂是嚴重的失效形式。本文采用Weibull統計分析方法研究了兩種（其中一種含0.02%Cr，另一種含0.21%Cr）神龍富康激冷灰鑄鐵凸輪軸的三點彎曲斷裂載荷。結果表明，上述兩種凸輪軸三點彎曲斷裂載荷的Weibull模量分別為11.4和14.3；其三點彎曲斷裂載荷平均值分別為6.5kN和7.0kN；表明含Cr凸輪軸比不含Cr凸輪軸的可靠性更高。作者初步分析了產生上述現象的原因。

凸輪軸；灰鑄鐵；鉻；斷裂載荷

1 前言

凸輪軸的主要失效形式是凸輪的早期磨損以及凸輪軸的異常斷裂。原第二汽車廠在開發神龍富康激冷灰鑄鐵凸輪軸的早期曾出現過異常斷裂的現象[1]。表征鑄鐵凸輪軸力學性能的參數較多，如激冷灰鑄鐵凸輪軸的抗拉強度和硬度。但在實際的服役條件下，凸輪軸經常要承受交變的彎曲和扭轉載荷，如何正確評價凸輪軸的使用性能（整體的抗斷裂性能，凸輪和軸頸的耐磨性）對于生產廠家和用戶來說都是非常重要的。為了保證灰鑄鐵凸輪軸的抗斷裂能力，設計人員多半要求用于制造凸輪軸的合金灰鑄鐵（直徑30mm試棒）的抗拉強度達到250MPa，而對凸輪軸的整體性能未作要求。一般而言，由于鑄型的快速冷卻作用，灰鑄鐵凸輪軸的金相組織特點總是：表層石墨更細，心部石墨更粗；因而總是表層抗拉強度較高，而心部抗拉強度較低。考慮到凸輪軸在服役過程中承受載荷的特點是，凸輪軸的心部應力較小而表面的應力較大，凸輪軸的結構特點（凸輪軸為直徑粗細不同的桿件且在凸輪與軸頸之間存在應力集中），以及灰鑄鐵具有表面強度較高和心部強度較低的特點，用毛坯直徑30mm試棒的心部強度（一般加工成直徑20mm的拉伸試棒用于測定強度）來評價鑄鐵凸輪軸的抗斷裂性能筆者認為不甚合理，而采用凸輪軸的整體彎曲（表面層的應力較高，心部的應力較低）性能來評價凸輪軸的抗斷裂性能似乎更好一些。本文則用三點彎曲方法考察兩種鉻含量不同的神龍富康凸輪軸三點彎曲斷裂載荷的大小并用Weibull統計分析方法進行比較。

1951年，Weibull在前人工作的基礎上，基于最弱連接理論（即將材料看成許多鏈節連接而的的鏈，只要其中有一個鏈節失效，整個鏈就失效），提出了著名的Weibull分布模型，其公式見式（1），并指出：該理論適合于所有的脆性材料。

式中：F——失效概率；

σ——隨機變量，如強度、斷裂韌性等；

σu——位置參數，又稱起始參數，表示產品在時間σu之前具有100%的可靠度，失效是從σu之后開始的；

σ0——尺度參數，起縮小或放大σ標尺的作用，但不影響分布的形狀；

m——形狀參數，即Weibull模量，決定分布密度曲線的基本形狀，它表征了材料的均勻性和可靠性，m值越大，材料的均勻性越好，可靠性越高。

當σu＝0時，Weibull模型退化為二參數 Weibull模型，即式（1）變為：

對上式作兩次對數變換得：

式（3）變為：

由式（4）可知，X和Y呈線性關系，其中斜率為Weibull模量m。

2 試驗方法

2.1 合金熔煉及凸輪軸鑄造

熔煉在GW型500kg無芯中頻感應電爐中進行，爐襯材料為硅砂。用球墨生鐵Q10、廢鋼、75硅鐵、錳鐵、鉻鐵、回爐料和石墨增碳劑等調整化學成分，用德國OBLF光譜分析化學成分，其化學成分見表1。熔煉溫度為1600～1620℃，鐵液出爐溫度為1580～1600℃。用75硅鐵合金作孕育劑，在550kg的中間包內進行一次孕育處理并同時加入純錫。爐前三角試片白口寬度控制在4～4.5mm之間。孕育處理后，鐵液轉入150kg的澆包進行二次孕育處理，隨后澆入殼型之中，澆注溫度為1380～1410℃，澆注后約60min打箱。

用日本4610型Olympus光學顯微鏡觀察凸輪軸軸頸的金相組織。

2.2 三點彎曲試驗

在WE-500型液壓式萬能拉伸試驗機上測定三點彎曲斷裂載荷，凸輪軸支承跨距290mm（圖1），十字頭加載速度為3kN/s。

圖1 神龍富康凸輪軸三點彎曲試驗照片

3 試驗結果與討論

神龍富康凸輪軸毛坯見圖2。兩種鉻含量不同的凸輪軸的化學成分見表1。兩種凸輪軸的三點彎曲載荷分別見表2和表3。

表1 兩種凸輪軸的化學成分（質量分數，%）

表2 S1 100支凸輪軸三點彎曲斷裂載荷（kN）

表3 S2 49支凸輪軸三點彎曲斷裂載荷（kN）

圖3為兩種凸輪軸軸頸的金相組織。由圖可見，兩種凸輪軸軸頸的金相組織沒有明顯區別，其中石墨都由A+D型組成，基體組織主要為珠光體，鐵素體含量約5%左右。

圖3 兩種凸輪軸金相組織（左未浸蝕，右5%硝酸酒精浸蝕）

分別求出Yi和Xi，采用最小二乘法將各凸輪軸變換后的所有（Yi，Xi）數對進行線性回歸分析，擬合成一條直線方程（4），根據直線方程（4），可得到不含Cr和含0.21%Cr的兩種神龍富康凸輪軸三點彎曲斷裂載荷的Weibull模量分別為11.4和14.3；再根據表2和表3的數據，還可以求得兩種凸輪軸的平均三點彎曲斷裂載荷分別為6.5kN和7.0kN。

許多研究表明[1-11]，在灰鑄鐵中加入Cr可以提高強度和硬度。其原因在于，Cr可以增加灰鑄鐵中的珠光體含量[5]，細化珠光體[2]，增加共晶團數量[5，6]以及促進D型石墨生成[9]，Cr已成為提高灰鑄鐵強度最廉價和有效的合金元素。

4 結論

不含Cr和含0.21%Cr的神龍富康激冷灰鑄鐵凸輪軸的三點彎曲斷裂載荷的平均值分別為6.5kN和7.0kN，兩者的Weibull模量分別為11.4和14.3；后者的可靠性更高。

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Effect of Cr on Three-point Bending Fracture Load of Camshaft

SHEN BaoLuo，LI Li，YUE ChangLin，GAO ZhiWen，LIU DaChuan，WANG Wei
（Chengdu Jinding Camshaft Foundry Co.Ltd.，Pixian County 611732，Sichuan China）

Camshaft in the service process will bear alternating bending and torsion.Three-point bending fracture test and Weibull statistical analysis of three-point bending fracture loads have been used to two Citroen camshafts contained 0.21%Cr or traces of Cr(0.02%Cr)to evaluate the reliability.The results showed that the three-point bending fracture loads of the two camshafts were in line with the three parameter Weibull model,their shape parameters m were 14.3(the camshaft contained 0.21%chromium)and 11.4(the camshaft contained 0.02%Cr)respectively,which shows the former has a higher reliability.The average fracture load were 7.0kN (the camshaft contained 0.21%chromium)and 6.5kN (the camshaft contained 0.02%Cr)respectively,which shows Cr can improve the fracture resistance of the camshaft.Preliminary analysis of the reasons for the above-mentioned phenomena has been done.

Camshaft；Grey cast iron；Chromium；Three-point bending fracture load

TG 251；

A

1006-9658（2011）01-3

2010－09－01

2010－130

沈保羅，（1945-），博士生導師，從事鑄造凸輪軸生產與新產品開發