內燃機SAE1144鋼凸輪軸冷加工開裂原因

彭 磊,徐旋旋,戴林榮

(中天鋼鐵集團有限公司,常州 213011)

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、大小、數量及分布情況[2-3]。SAE1144鋼屬于中碳含硫易切削鋼，是美國ASTM標準中一種硫質量分數為0.30%左右的易切削鋼，類似于國標的Y40Mn鋼，該鋼錳含量較高,淬透性高,經調質處理后綜合力學性能較好，具有良好的切削性能、較高的強度和硬度[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。某內燃機凸輪軸材料為SAE1144鋼，加工工藝流程為φ20 mm熱軋盤條→拉拔至φ19 mm→矯直→鋸切→表面車削至φ18.4 mm→車削端面及中心鉆孔及鏜孔→后續加工。在鏜孔加工時發現該凸輪軸產生裂紋，造成凸輪軸報廢。筆者采用化學成分分析、金相檢驗等方法，對該凸輪軸開裂原因進行分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該內燃機凸輪軸的宏觀形貌見圖1，尺寸為φ18 mm×30 mm，凸輪軸一端中間有盲孔，盲孔尺寸為φ6 mm×20 mm，孔壁厚為6 mm。由圖1可見：該凸輪軸上有1條裂紋，其側面裂紋沿軸向擴展，貫穿整個零件長度；該凸輪軸盲孔端面裂紋沿徑向向內擴展，裂紋深度約為5.3 mm，幾乎貫穿孔壁。

圖1 內燃機凸輪軸不同位置處裂紋的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用OBM750型直讀光譜儀對該內燃機凸輪軸進行化學成分分析，結果見表1，可見零件的化學成分符合ASTM A29/A29M-16StandardSpecificationforGeneralRequirementsforSteelBars,CarbonandAlloy，Hot-Wrought標準對SAE1144鋼的技術要求。

表1 內燃機凸輪軸的化學成分

1.3 金相檢驗

在距內燃機凸輪軸盲孔端面約10 mm處截取橫截面試樣進行觀察。由圖2可見，裂紋開口處裂縫寬度較大，隨著裂紋的擴展，裂縫寬度逐漸減小，裂紋內無氧化物，裂紋兩側無脫碳現象。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。

圖2 內燃機凸輪軸盲孔端面裂紋不同位置處的微觀形貌

圖3 內燃機凸輪軸的顯微組織

在內燃機凸輪軸側面裂紋處截取縱截面試樣進行觀察。由圖4可見：裂紋整體呈階梯狀擴展，是由多節縱向裂紋與剪切裂紋相互連接組成的，每一節縱向裂紋呈近似規則的長方形，兩端較平齊；縱向裂紋沿硫化物進行擴展；縱向裂紋一側可見長條狀硫化物。由圖5可見，經4%(體積分數)硝酸酒精浸蝕后，裂紋兩側組織為鐵素體層狀條帶，鐵素體內有長條狀硫化物，縱向裂紋沿鐵素體層狀條帶開裂。

圖4 內燃機凸輪軸側面裂紋的微觀形貌(拋光態)

圖5 內燃機凸輪軸側面裂紋處的微觀形貌(腐蝕態)

1.4 斷口分析

將內燃機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，有明顯分層現象，具有層狀撕裂的特點，斷面有粗大長條狀硫化物。

圖6 將內燃機凸輪軸盲孔端面沿裂紋斷開后的斷口微觀形貌

2 分析與討論

內燃機凸輪軸的化學成分符合ASTM A29/A29M-16標準對SAE1144鋼的技術要求，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。

內燃機凸輪軸側面裂紋沿軸向呈直線狀連續分布，貫通整個凸輪軸長度，并沿盲孔端面徑向向內擴展，幾乎貫穿凸輪軸孔壁。裂紋內無夾雜物，裂紋兩側組織無異常和脫碳現象。凸輪軸的主要加工過程為冷加工。根據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力作用下形成的，不是原材料內部存在的初始裂紋。

內燃機凸輪軸側面裂紋由多節縱向裂紋和剪切裂紋相互連接組成，整體呈階梯狀，每一節縱向裂紋呈近似規則的長方形，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可見長條狀硫化物，這是一種在較高應力作用下引起的夾雜物剝離、擴展、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現，斷面可見明顯的分層現象，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域易形成較高的應力集中。層狀撕裂的形成需滿足以下三個條件：(1)存在較高的應力作用；(2)鋼中存在長條狀硫化物或層片狀硫化物；(3)基體組織為鐵素體層狀條帶組織。金相檢驗結果表明，該凸輪軸側面裂紋兩側的顯微組織為層狀條帶鐵素體，鐵素體內存在長條狀硫化物，裂紋沿層狀條帶鐵素體和硫化物界面處進行擴展。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，在硫化物聚集區域容易造成較高的應力集中。因此，當凸輪軸受到橫向沖擊力時，就極易在組織薄弱區域及硫化物聚集區域產生裂紋。在機械加工過程(鉆孔或鏜孔加工)中，凸輪軸會受到車刀的環向沖擊力，冷卻潤滑不良和凸輪軸軸心沒有對齊會造成車刀切向應力過大，從而在硫化物和鐵素體界面處萌生裂紋，在切向應力的繼續作用下，裂紋尖端沿夾雜物所在平面進行擴展，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展有促進作用。

3 結論及建議

(1)內燃機SAE1144鋼凸輪軸側面開裂屬于冷加工應力開裂，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展有促進作用，裂紋擴展后造成凸輪軸開裂。

(2)建議嚴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澆鑄，嚴格控制軋制工藝，以獲得理想的紡錘狀硫化物及顯微組織。