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汽车曲轴失效分析

曲轴是汽车发动机最重要、最关键的零件,也是其核心运动部件。曲轴生产质量的好坏直接影响发动机的性能及寿命。巴西生产的发动机曲轴在运行很短时间后,发生断裂。本文通过对断裂曲轴进行的宏观、微观和化学成份等方面的综合分析,找出失效发动机曲轴断裂的主要原因,为以后曲轴质量的改进提高提供依据。

(1)化学成分分析

(2)宏观分析

曲轴在第3连杆断裂失效,而不是在更高负载的后部第6连杆。裂纹源的位置不在关键的感应淬火圆角位置,而是在锻造面上,因此,故障位置显示断裂的根本原因是曲轴的质量问题,而不是由于发动机过载断裂。

裂纹由多条裂纹源引发,且裂纹源均在4主轴颈凸台上部的膀臂上,裂纹面检查发现光滑的弯曲疲劳破坏,显示一个非常大的疲劳裂纹增长。由此推断认为是发动机运行很短时间后,裂纹迅速扩展并最后断裂。曲轴瞬断区面积较小,可以判定曲轴在使用过程中受到外力作用并不大,这也说明不是由于发动机过载引起断裂。该曲轴第4主轴颈和第3连杆发生拉瓦现象,轴颈拉瓦划痕较深,轴颈表面颜色较黑。主轴颈断裂一侧的凸台有烧伤痕迹,但是没有划痕现象,其它轴颈较好,无拉瓦烧瓦等痕迹。图5中用4%的硝酸酒精侵蚀后发现,圆角位置淬火层轮廓良好,轴颈位置有明显的二次淬火现象。

(3)淬火深度和淬火轮廓分析

第4主轴分解、取样对淬火层进行检验,取样位置试样淬火层轮廓形状良好,圆角部位淬火层轮廓饱满圆润,轴颈部位淬火层有轻微的马鞍形。试样淬火层轮廓形状良好,圆角淬火层轮廓圆润饱满,而轴颈部位明显有两次淬火的痕迹,即二次淬火。

依据GB/T5617-2005《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定》检测方法,对淬火层深度进行梯度检测,检测结果见表2。从表2中可以看出,试样圆角位置淬火层深度都满足技术要求。

试样轴颈位置淬火层深度为0mm,淬火层各个位置HRC硬度都低于49HRC。

试样轴颈淬火层深度大于6mm,轴颈两次淬火层重叠,且二次淬火层深度明显大于一次淬火层。所以2#试样轴颈淬火层深度检测的是二次淬火层深度。

主轴淬火层深度

淬火层轮廓深度的检测结果见表3。从表3中可以看出,圆角和轴颈淬火层轮廓深度都符合技术要求。

(4)微观分析

对试样轴颈淬火层进行金相检测,发现轴颈表面金相组织主要由粗大马氏体、少量铁素体组成,往里则依次出现索氏体、珠光体、铁素体等组织,轴颈表面有轻微的脱碳现象,脱碳层最深大约有39μm。

      产生这种组织的原因主要是轴颈与轴瓦之间缺少润滑油,轴颈与轴瓦之间无法形成油膜,造成二者之间干摩擦。当曲轴轴颈和连杆轴颈的油道或油孔堵塞,造成发动机曲轴轴颈与轴瓦之间由于没有油膜保护而出现严重干磨,接触表面达到极限高温,曲轴颈与轴瓦之间就相互咬死、烧结,在轴颈表面发生二次淬火及高温回火。当轴颈表面层的瞬间温度超过钢的Ac1点,轴颈表面就会出现二次淬火马氏体,而在轴颈表层下由于温度梯度大,时间短,只能形成高温回火组织。脱碳是钢材加热时表面碳含量降低的现象。脱碳层的组织特征:脱碳层由于碳被氧化,反映在化学成分上其含碳量较正常组织低;反映在金相组织上其渗碳体(Fe3C)的数量较正常组织少;反映在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。零件上不加工的部分(黑皮部分)脱碳层全部保留在零件上,这将使性能下降,疲劳强度降低,导致零件在使用中过早地发生疲劳损坏。

      为验证疲劳强度,对失效曲轴锻造曲柄轮廓良好的第1连杆和锻造曲柄轮廓不好的第6连杆进行弯曲疲劳试验。结果见表4。从表4中可看出,锻造曲柄轮廓不好的第6连杆疲劳强度明显比锻造曲柄轮廓良好的第1连杆差。




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