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铸造缺陷和热处理工艺对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响 摘要：曲轴是汽车发动机系统中最为关键的构成部分之一，曲轴性能的好坏将直接对整个车辆的使用寿命造成影响。文章首先对球墨铸铁曲轴的重要意义以及疲劳断裂的影响因素进行了简要分析，指出球墨铸铁曲轴疲劳失效并断裂的主要影响因素有两个方面，其一是铸造缺陷，其二是热处理工艺。文章重点研究了以上两个方面影响因素对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响机制与对应关系，望能够通过改进铸造质量，同时合理应用热处理工艺的方式，达到提高球墨铸铁曲轴抗疲劳性能，延长其使用寿命的目的。 下载 关键词：球墨铸铁曲轴 疲劳强度 铸造缺陷 热处理工艺 影响 本次研究中重点从铸造缺陷以及热处理工艺这两个角度入手，分析相关因素对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响，认为需要通过改善铸造质量，同时合理应用正火、中频表面淬火、等温淬火以及氧氮化处理工艺的方式，达到提高球墨铸铁曲轴抗疲劳强度，改善其力学综合性能，延长曲轴使用寿命的目的。 1 球墨铸铁曲轴概述 随着汽车、工程机械、农业机械和船舶工业等的迅速发展，我国发动机年需求量达6000多万台，居世界第一位，曲轴作为发动机的核心部件，在能量转换和功率输出过程中起着关键作用。新型中等功率发动机逐渐向节能环保、高功率密度方向发展，使曲轴承受的载荷提高了45%67%，这就要求曲轴具有更好的力学性能。在曲轴工作过程当中，会承受大量的负荷，同时其所承受的弯矩作用力也有不断变化的特点，在这种因素影响下，导致曲轴容易出现疲劳断裂的失效现象，对曲轴的使用有非常不良的影响。在常规工艺条件下，曲轴的失效形式主要有两种类型：第一是磨损，第二是断裂。针对磨损失效问题，可以通过重新配置轴瓦的方式继续投入使用，但对于断裂失效问题而言，一旦发生便无法修复。从这一角度上来说，疲劳断裂是曲轴发生失效现象的最主要原因。造成球墨铸铁曲轴出现疲劳断裂问题的因素众多，主要可以划分为铸造缺陷以及热处理缺陷这两个方面。 2 铸造缺陷对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响分析 2.1 生铁中磷含量对曲轴疲劳强度的影响 对于球墨铸铁炉料而言，其中的生铁成分、回炉铁成分以及废钢中的磷成分在铁水熔炼过程当中会以恒定量的方式得到保留。同时，过量的磷成分多富集于晶界，主要表现形式为二元磷共晶或者是三元磷共晶。无论其表现为哪种形式，都具有脆性相的特点，由此会导致球墨铸铁的塑性指标明显降低，最终诱发曲轴的早期断裂。已有研究中对发生断裂问题的曲轴进行分析，分析结果显示：曲轴正火采用部分奥氏体化工艺，通过此种方式获得铁素体组织（此类铁素体组织多为破碎形态）。但从断轴分析的角度上来说，此部分检出的磷成分含量多在0.070.10%范围内。通过疲劳试验所得出的结果反映，该曲轴正常运行工况条件下的疲劳强度极限值仅为8050.0kg?cm，无法满足设计要求。其原因在于曲轴制造使用了本地生铁作为的球铁炉料。在取消该环节后曲轴质量自然可得到提高。 2.2 铸造缩松对曲轴疲劳强度的影响 已有研究资料中报道某厂曲轴曾大量出现断裂问题。从曲轴外观上观察得知，导致断裂的主要原因是在曲轴连杆轴颈位置有铸造缩松问题，且肉眼可见。分析其成因是：在冷铁供应存在问题的条件下，曲轴造型省略了补缩所使用的冷铁。在恢复冷铁工艺后，曲轴铸造缩松问题得到了圆满的解决。由此可见，铸造缩松对于曲轴疲劳强度的影响是非常显著的。 2.3 黑色带层及灰斑对曲轴疲劳强度的影响 在常规工艺条件下，球墨铸铁曲轴断口多呈现出灰色或银灰色，曲轴本体以及抗拉试棒断口同样应当有此类表现。对于黑色带层问题而言，其主要是受到灰斑在疲劳试验曲轴轴颈往复式运动的影响而形成的，而灰斑的产生则主要是受到了铁水中硅偏析的影响。以往研究中在对某批次球墨铸铁曲轴进行疲劳试验的过程当中发现曲轴断面出现了异常的黑色层以及灰斑。虽然此种问题在球墨铸铁曲轴中相对比较少见，但同样属于内部缺陷的一种表现形式，此问题的出现导致了曲轴疲劳强度受到不良影响，有黑色带层或灰斑问题的曲轴在正常使用过程当中可能提前出现疲劳裂纹，导致抗疲劳强度的下降。 3 热处理工艺对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响分析 3.1 正火和中频淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响 已有研究中显示，对于球墨铸铁曲轴而言，在经过高温正火处理后，能够将其中所存在的游离状态渗碳体消除掉，从而能够起到调整基体中铁素体以及珠光体形态，以及两者构成比例的目的。通过这种方式，使球墨铸铁曲轴的综合力学性能得到了提升，促进了抗疲劳强度的改善。同时，在球墨铸铁曲轴制造过程当中，通过进行中频淬火处理的方式，能够使球墨铸铁曲轴表面形成具有一定深度的淬硬层，其对于改善曲轴自身耐磨性能有重要意义。但也有研究中认为：传统的非圆角淬火工艺下会导致曲轴淬火区与非淬火区交界位置产生失衡且反向的应力关系，并对疲劳强度造成不良影响。因此，在引入中频淬火工艺的过程当中，需要尽量选择圆角淬火工艺，达到满意的处理效果。 3.2 等温淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响 在球墨铸铁曲轴的生产过程当中，通过应用等温淬火工艺的方式，能够使曲轴获得主要的贝氏体成分，同时还可形成一定的马氏体组织以及残余奥氏体组织，力学性能上具有较高的强度以及韧性水平。已有研究资料中报道，针对受到化学成分偏离影响而造成球墨铸铁曲轴疲劳强度的不足的问题，通过应用等温淬火工艺的方式，解决了曲轴在热处理上的质量问题。等温淬火工艺的应用除了对改善球墨铸铁曲轴疲劳强度水平以外，还对提高曲轴自身耐磨性有重要价值，由此也有效延长了曲轴的使用寿命，综合效益确切。 3.3 氧氮化工艺对曲轴疲劳强度的影响 从化学处理的角度上来说，在球墨铸铁曲轴的制造生产工艺中，通过对曲轴进行氧氮化处理的方式，能够使曲轴表面获得具有高氮特点的化合物层，同时还可形成具有饱和特点的氧扩散层。受到氧成分以及氮成分渗入的影响，使得球墨铸铁曲轴表面层的化学成分发生改变，与之相对应的显微结构也有了非常显著的提升趋势，曲轴整体的耐磨性能以及?Y疲劳性能均得到了有效的改善。需要注意的一点是，对于经过氧氮化处理的球墨铸铁曲轴而言，其抗疲劳水平的提高很大程度上会受到氧化层扩散水平的影响，在氮化处理后快速冷却，并在扩散层中形成饱和固溶体，或是形成高水平的残余压应力都能够促进疲劳强度的提高。正是由于在氧氮化工艺处理下，曲轴表面能够形成较深的扩散层，故而对延长球墨铸铁使用寿命也有相当重要的意义与价值。 4 结束语 结合本文以上分析认为：对于球墨铸铁曲轴而言，断裂是其运行过程当中最主要的失效形式。解决并最大限度避免曲轴失效问题的方法在于弥补铸造缺陷，同时对热处理工艺进行合理改进。本次研究中重点从铸造缺陷以及热处理工艺这两个角度入手，分析以上因素对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响，指出可以通过弥补铸造缺陷，同时合理应用正火、中频表面淬火、等温淬火以及氧氮化处理的方式，促进球墨铸铁曲轴疲劳强度水平的提升，同时改善曲轴的耐磨性，延长球墨铸铁曲轴的使用寿命，发挥更加确切的使用价值。 参考文献： 徐定辉，张煜盛，徐波，等.6BT高强度球铁曲轴试验与计算研究J.华中科技大学学报（自然科学版），2003，31（9）：12-14. 徐中明，牟笑静，彭旭阳，等.基于有限元法的发动机曲轴静强度分析J.重庆大学学报（自然科学版），2008，31（9）：977-981. 陈鹭滨，徐英.柴油机球