鍛造曲軸疲勞壽命的影響因素與改善研究

梁晨希 盧春林 唐波

摘要：研究了36MnVS6鍛造曲軸表面與內(nèi)部缺陷對疲勞壽命的影響。結果表明：鍛造曲軸的主軸頸與連桿軸頸過渡區(qū)域，是疲勞斷裂集中發(fā)生的區(qū)域。該區(qū)域的表面鍛造缺陷，以及內(nèi)部組織鐵素體+珠光體內(nèi)的過量的MnS夾雜物是誘發(fā)裂紋源的主要原因。在曲軸生產(chǎn)制造過程中，減少原材料內(nèi)部夾雜物以及表面缺陷，將有利于提高曲軸疲勞壽命。

關鍵詞：非調(diào)質(zhì)鋼；曲軸；疲勞壽命；MnS夾雜物

非調(diào)質(zhì)鋼36MnVS6憑借其良好的力學性能與疲勞壽命，廣泛應用于汽車曲軸、連桿、轉向節(jié)和前軸等零件制造。非調(diào)質(zhì)鋼熱鍛件由于不需要鍛后熱處理，可以大大縮短生產(chǎn)周期，并節(jié)約能源。隨著感應淬火表面硬化技術的日臻完善，非調(diào)質(zhì)鋼曲軸圓角硬化區(qū)的組織更加均勻，極大緩和了應力集中情況，有利于提高疲勞壽命。然而，汽車技術的發(fā)展進步也對曲軸提出了更高要求，一些新技術例如發(fā)動機自動起停、低轉速渦輪增壓都需要曲軸承載更大的扭矩。如何進一步提高曲軸的疲勞壽命，成為擺在工程技術人員面前的難題。

本文利用電磁激勵式曲軸疲勞試驗臺研究了曲軸的疲勞性能。通過分析疲勞試驗結果，發(fā)現(xiàn)曲軸疲勞的薄弱位置位于主軸頸與連桿軸頸過渡區(qū)域。該區(qū)域的表面鍛造存在缺陷，例如表面磕碰傷、鍛造折疊，以及內(nèi)部組織中過量的MnS夾雜物是誘發(fā)裂紋源的主要原因。經(jīng)過和廠家的技術研討，加強控制原材料夾雜物以及改善鍛造零件表面狀態(tài)，將有利于提高曲軸疲勞壽命。

材料性能與試驗方法

材料36MnVS6是鐵素體+珠光體非調(diào)質(zhì)鋼，其化學成分見表1。毛坯曲軸由鍛造廠提供，經(jīng)過發(fā)動機廠粗加工、表面淬火處理、精加工成為成品曲軸，然后進行疲勞試驗。利用SincoTec公司SO150083-B 6000N·m型曲軸疲勞試驗臺進行試驗，研究不同扭矩下曲軸的斷裂情況。目前廣泛采用力矩-扭轉次數(shù)曲線描述曲軸疲勞強度。

為滿足新一代高扭矩發(fā)動機的技術要求，曲軸的疲勞強度應達到1800N·m1000萬次斷裂概率小于10-7。當曲軸過早產(chǎn)生裂紋時，利用Tescan VEGA3掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞斷口形貌，分析其斷裂機理。

試驗結果與分析

1.疲勞試驗結果

疲勞試驗采用電磁激勵方式給曲軸加載扭矩，曲軸按照固定頻次往返振動。當曲軸表面產(chǎn)生微裂紋后，頻次監(jiān)控傳感器會自動報警并停止試驗，記錄斷裂時的扭轉次數(shù)，試驗臺如圖1所示。試驗共計8件曲軸，第1件扭矩設定為2500N·m，然后每件依次降低100N·m，試驗結果見表2。

對比曲軸開發(fā)認可狀態(tài)的力矩-扭轉次數(shù)曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)本次疲勞試驗的結果要低于目標值。第8組試驗1800N·m在228萬次發(fā)生了提前斷裂，沒有達到預期的1000萬次。

本批次曲軸疲勞裂紋集中出現(xiàn)在1PL-1HL、1PL-2HL和2PL-2HL的軸頸過渡區(qū)域。通過對比20次曲軸的疲勞試驗結果，發(fā)現(xiàn)軸頸過渡區(qū)域是疲勞斷裂集中發(fā)生的區(qū)域，如圖3所示。過渡區(qū)域承受了較大的扭矩，而且結構復雜導致應力分布不均勻，容易誘發(fā)疲勞裂紋。因此，過渡區(qū)域的表面狀態(tài)與內(nèi)部組織結構的缺陷將是分析疲勞強度不足的關鍵。

2.失效分析

選取1800N·m斷裂的曲軸，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞斷口形貌斷口，如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，曲軸的疲勞裂紋源位于表面硬化區(qū)（感應淬火形成的馬氏體組織）與表面非硬化區(qū)（鐵素體+珠光體組織）的過渡區(qū)域。裂紋源附近有輕微的表面缺陷（見圖4c），表面缺陷附近可以看到細長條狀的組織（見圖4d）。經(jīng)電子顯微鏡能譜檢測為硫化錳MnS夾雜物。這種細長條組織分布在裂紋源附近并誘導裂紋繼續(xù)沿其分布方向擴展。36MnVS6中含有0.05%左右微量硫元素。但是裂紋源附近集中出現(xiàn)的MnS是明顯的不良組織，會在局部產(chǎn)生較大的應力集中。條狀分布的硫化物會對曲軸的疲勞性能產(chǎn)生嚴重影響[1]。按照GB10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》其硫化物級別為A3級，已經(jīng)達到了零件標準的上限。

開發(fā)階段，在36MnVS6中添加微量硫元素是為了改善非調(diào)質(zhì)鋼的機械性能，方便切削加工[2]。但是如果原材料中硫元素沒有均勻分布在組織內(nèi)部，就會在局部產(chǎn)生大量的硫化錳析出物。硫化錳具有很高的熔點和延展性能，一旦析出就無法消失，形成集中分布的MnS分布帶，嚴重影響材料塑性[3]。在鍛造過程中，曲軸軸頸圓角與軸頸間過渡區(qū)域的材料流動最強，該區(qū)域MnS也會伴隨鍛造過程材料流動不斷拉伸延長，并集中分布在圓角、曲拐等薄弱區(qū)域，如圖5所示。

綜上所述，通過對1800N·m斷裂的曲軸斷口分析，發(fā)現(xiàn)裂紋源位于軸頸間過渡區(qū)域。該區(qū)域承載較大的扭矩，表面存在微小缺陷，裂紋源附近組織大量MnS夾雜物造成應力集中，這一系列因素造成了該曲軸的疲勞失效。

影響曲軸疲勞壽命的因素

1.結構與表面缺陷

應力集中是降低疲勞壽命的主要因素。應力集中多發(fā)生在曲軸的圓角、油孔、去重孔及表面鋼印等幾何形狀突然變化的位置[4]。因此，在設計開發(fā)時就必須考慮曲軸整體結構的均勻性，避免應力集中。鍛造過程中，表面微小的缺陷也容易降低疲勞壽命。特別是軸頸過渡區(qū)域，表面的磕碰傷、鍛造折疊及砂眼都是潛在的疲勞裂紋源。

2.內(nèi)部組織與夾雜物

相比鑄造曲軸，鍛造曲軸的優(yōu)勢在于反復鍛壓過程中消除內(nèi)部孔隙，組織晶粒均勻細小，力學性能良好。但相應的缺點是，鍛造過程中材料流動會導致內(nèi)部殘余應力分布不均勻，同時對內(nèi)部的異常組織或夾雜物十分敏感。

曲軸內(nèi)部組織為珠光體加鐵素體。珠光體有良好的沖擊韌性，但耐磨性能較差，需要進行表面感應淬火得到馬氏體組織，提高表面硬度。在感應淬火過程中，如果感應加熱線圈的輸入能量、淬火溫度及冷卻液濃度設定不當，會導致內(nèi)部組織沒有完全轉變?yōu)轳R氏體，從而形成不良的殘余奧氏體或網(wǎng)狀屈氏體。除此之外，位于硬化層附近過量的MnS夾雜物，也會造成組織性能下降。這些都是對疲勞強度十分不利的因素。

提高曲軸疲勞壽命的措施

影響曲軸疲勞壽命的因素非常多，難以通過控制單一變量達到目標，必須從原材料監(jiān)控、生產(chǎn)工藝過程改進以及曲軸疲勞試驗分析多個角度開展工作。在發(fā)現(xiàn)問題后，通過改進工藝過程消除問題，并制定合理的日常監(jiān)控方法，避免問題重復發(fā)生。如果是設計問題，應該及時反饋給開發(fā)設計人員從源頭消除問題或者加嚴標準。在成本控制過程中，不能降低影響疲勞壽命的核心指標，特別是應該嚴格按照標準添加微量元素，嚴格控制鍛造溫度，嚴格按照計劃修整模具等。

1.原材料的監(jiān)控

在曲軸的加工過程之前，要充分監(jiān)控來件質(zhì)量狀態(tài)。特別是MnS夾雜物在原材料的分布情況。抽檢的位置要考慮到曲軸材料流動性較強的區(qū)域，在整個截面不同位置取樣。避免漏掉MnS集中密集區(qū)域。

2.生產(chǎn)工藝過程改進

在曲軸鍛造過程中，應注意曲軸表面缺陷，消除表面折疊，消除較深的鋼印，消除搬運過程中的磕碰傷。在曲軸加工過程中，應注意感應淬火參數(shù)的穩(wěn)定性，保證硬化層深度均勻一致。特別是曲軸圓角區(qū)域的組織均勻一致，不允許有殘余奧氏體或網(wǎng)狀屈氏體等缺陷組織。

3.曲軸疲勞試驗的持續(xù)分析

重視曲軸疲勞試驗的數(shù)據(jù)積累，統(tǒng)計扭轉斷裂時的運行次數(shù)以及斷裂位置分布，用于快速對比風險批次曲軸的狀態(tài)。在發(fā)生明顯的提前斷裂時，應該進行斷口分析，查找裂紋附近的組織缺陷，與生產(chǎn)線及供應商開展問題分析，制定方案并驗證，保證曲軸問題得到控制。

結論

本文利用電磁激勵式曲軸疲勞試驗臺研究了曲軸的疲勞性能。通過分析疲勞試驗結果，發(fā)現(xiàn)曲軸疲勞的薄弱位置位于主軸頸與連桿軸頸過渡區(qū)域。該區(qū)域的表面鍛造缺陷，例如表面磕碰傷、鍛造折疊，以及內(nèi)部組織的過量的MnS夾雜物是誘發(fā)裂紋源的主要原因。為了提高曲軸疲勞壽命，必須從原材料監(jiān)控、生產(chǎn)工藝過程改進以及曲軸疲勞試驗分析多個角度開展工作，不斷優(yōu)化曲軸設計、生產(chǎn)過程和監(jiān)控方法。

參考文獻

[1]陳蘊博，馬鳴圖，王國棟.汽車用非調(diào)質(zhì)鋼的研究進展[J].中國工程科學，2014，16（2）：4-17.

[2]常開地，王萍，劉衛(wèi)萍.非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展現(xiàn)狀和應用進展[J].金屬熱處理，2011，36（3）：80-85.

[3]劉洋，王文軍.低硫微合金鋼中硫化錳析出規(guī)律分析[C].2010年全國煉鋼-連鑄生產(chǎn)技術會議論文集.2010.

[4]牟建華，王雙強.淺談影響曲軸疲勞壽命的因素[J].內(nèi)燃機車.2003（3）：11-13.