發動機曲軸短里程失效原因分析

王旭陽，于曉東，孫軍，呂世杰，劉增輝

天潤曲軸股份有限公司 山東威海 264413

內燃機在工作時，曲軸承受著周期性變化的氣體壓力和活塞連桿組往復運動及旋轉運動的慣性力，其工作環境非常惡劣。曲軸長期受到周期性的彎曲、扭轉和振動等復雜載荷的作用，極易出現扭轉、彎曲變形甚至產生裂紋和斷裂[1-2]。某非調質鋼曲軸運行了約2萬km，在第4主軸承圓角附近斷裂，第4主軸承軸頸磨損出現溝槽，軸頸表面燒傷至黑色，如圖1所示。曲軸加工的主要工藝流程：鍛造→控溫冷卻→表面淬火→回火→機加工。

圖1 失效曲軸

1 研究方法

使用ARL EasySpark 1160直讀光譜儀檢驗化學成分，使用HBS-3000布氏硬度計、HV-50型維氏硬度計、MTS C43拉伸試驗機等檢驗材料的力學性能，使用ZEISS Axio Observer D1M顯微鏡觀察斷口附近的顯微組織。通過以上方法，分析查找曲軸失效的原因。

2 檢驗結果與分析

2.1 宏觀斷口觀察

對斷口表面進行觀察，軸頸表面燒蝕呈黑色并拉出溝槽，如圖2所示。從斷口形態看，失效模式為彎扭復合斷裂，裂紋源區位于第4主軸承圓角附近，源區有疲勞擴展痕跡；瞬斷區面積約占斷面的2/3，解理斷裂特征明顯，推測斷裂時的應力較大[3]。

圖2 斷面及燒蝕軸頸

2.2 化學成分檢驗

在第4主斷裂位置附近的曲柄取樣進行化學成分檢測，結果見表1，符合技術要求。

表1 化學成分檢測結果（質量分數） （%）

2.3 顯微組織觀察

從斷口裂紋源處取樣，使用2%的硝酸乙醇浸蝕，腐蝕后的淬火區如圖3所示，可見軸頸正常淬火區出現一層白亮區。依據GB/T 6394—2002和GB/T 13320—1991評判基體組織為珠光體+網狀鐵素體，晶粒度7～7.5級（技術要求5～8級），帶狀組織1級，如圖4a所示。依據JB/T 9211—1999評判淬火區組織為6級馬氏體，如圖4b所示。圖4c為軸頸淬火區與白亮區的交界，圖4d為軸頸燒蝕位置的白亮區，圖4e為白亮區放大，組織粗大，可見晶粒輪廓，并出現魏氏體組織[4]。

圖3 腐蝕后的淬火區

圖4 淬火區及基體組織

2.4 力學性能檢驗

從失效曲軸后端大盤位置取軸向拉伸試樣，按照GB/T 228—2002規定的方法加工，力學性能檢驗結果見表2，符合技術要求。

2.5 淬火層深檢驗

按照GB/T 5617—2005規定的測定方法，分別對失效軸頸及正常軸頸進行淬火層硬度梯度檢驗。如圖5所示，拉傷軸頸表面1000μm以內出現明顯的硬度降低，硬度曲線近似呈拋物線形，隨著深度增加，軸頸燒蝕的影響逐漸變小。

圖5 軸頸淬火層深

3 分析及改進

3.1 原因分析

曲軸斷面在裂紋源附近出現很小區域的疲勞擴展區，隨后是以解理斷裂特征為主的瞬斷區，可判斷失效屬于高應力、低周疲勞斷裂[5]。第4主軸頸燒蝕至黑色，表面出現拉傷溝槽，而斷口沒出現因高溫導致的氧化色。因此，判斷曲軸斷裂在軸頸燒蝕后。軸頸近表面淬火區組織粗大，局部出現魏氏體組織；軸頸燒蝕位置硬度在1000μm內出現大幅降低，這些都是軸頸燒蝕過程中表面溫度急劇升高造成的。

曲軸斷裂的直接原因為軸頸燒蝕。因軸頸表面存在圓周方向不均勻分布的連續或斷續溝槽，即出現拉瓦，可以推斷事故發生瞬間潤滑系中存在硬質異物[6]。

表2 力學性能檢測結果

3.2 改進建議

1）發動機廠家應嚴格控制曲軸、連桿等部件的清潔度，曲軸、連桿等零件需嚴格清洗，不允許有毛刺等易脫落硬質異物。

2）在發動機裝配過程中嚴格控制異物，比如砂粒、鋼屑、裝配工具老化產生的碎屑等。

3）用戶應按規定時間和里程保養，尤其是新車磨合期后，應及早更換潤滑油，避免油底殼中磨損的金屬粉末、沖刷的微小毛刺嵌入軸瓦或堵塞油道。