分享：內燃機SAE1144鋼凸輪軸冷加工開裂原因

摘 要：內燃機SAE1144鋼凸輪軸在冷加工過程中發生開裂。採用宏觀觀察、化學成分分析、 金相檢驗和斷口分析等方法，分析了該凸輪軸開裂的原因。結果表明：該 SAE1144鋼凸輪軸開裂 屬於層狀撕裂；在鏜孔加工過程中，潤滑不良和凸輪軸軸心沒有對齊造成車刀切向應力過大，從而 在凸輪軸硫化物和鐵素體介面處萌生裂紋，鋼中存在的長條狀硫化物及鐵素體層狀條帶對裂紋的 擴充套件有促進作用，裂紋擴充套件後造成凸輪軸開裂。

關鍵詞：SAE1144鋼；鏜孔加工；開裂；層狀撕裂；凸輪軸

中圖分類號：TG115 文獻標誌碼：B 文章編號：1001-4012（2022）01-0045-04

易切削鋼具有良好的切削加工效能［1］，其切削 效能主要取決於鋼中的夾雜物種類、形態、大小、數 量及分佈情況［2-3］。SAE1144鋼屬於中碳含硫易切 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，類似於國標的 Y40Mn鋼， 該鋼錳含量較高，淬透性高，經調質處理後綜合力 學效能較好，具有良好的切削效能、較高的強度和硬 度［4］。SAE1144鋼適用於加工剛性要求高的零件， 如絲槓、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ϕ20mm 熱軋盤 條→拉拔至ϕ19 mm→ 矯直 → 鋸切 → 表面車削至 ϕ18。4mm→車削端面及中心鑽孔及鏜孔→後續加 工。在鏜孔加工時發現該凸輪軸產生裂紋，造成凸 輪軸報廢。筆者採用化學成分分析、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 ϕ18mm×30mm，凸輪軸一端中間有盲孔，盲孔尺 寸為ϕ6mm×20mm，孔壁厚為6mm。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 向向內擴充套件，裂紋深度約為5。3mm，幾乎貫穿孔壁。

1。2 化學成分分析

採用 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-16 Standard Specificationfor

GeneralRequirementsforSteel Bars，Carbon and Alloy，Hot-Wrought 標 準 對 SAE1144鋼的技術要求。

1。3 金相檢驗

在距內燃機凸輪軸盲孔端面約10mm 處擷取 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，隨著裂紋的擴充套件，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。

在內燃機凸輪軸側面裂紋處擷取縱截面試樣進 行觀察。由圖4可見：裂紋整體呈階梯狀擴充套件，是由 多節縱向裂紋與剪下裂紋相互連線組成的，每一節 縱向裂紋呈近似規則的長方形，兩端較平齊；縱向裂 紋沿硫化物進行擴充套件；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 蝕後，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。

1。4 斷口分析

將內燃機凸輪軸盲孔端面沿裂紋斷開後，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。

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，其間分佈著大量硫化物，這 是SAE1144鋼熱軋後的正常組織。

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，並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。根據裂紋形貌特徵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下 裂紋相互連線組成，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。剪下裂紋是由 縱向裂紋在橫向剪下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、擴充套件、剪下形成的 階梯狀裂紋。將凸輪軸端面沿裂紋斷開後觀察發 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 徵［5-8］，表 明 該 凸 輪 軸 的 開 裂 屬 於 層 狀 撕裂。

硫系易切削鋼屬於高硫鋼，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，鐵素體記憶體在長條狀硫化 物，裂紋沿層狀條帶鐵素體和硫化物介面處進行擴 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，當凸輪軸受到橫向衝擊 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（鑽孔或鏜孔加工）中，凸 輪軸會受到車刀的環向衝擊力，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 在硫化物和鐵素體介面處萌生裂紋，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充套件， 相鄰平面上的裂紋連線成階梯狀裂紋。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 裂紋的擴充套件有促進作用。

3 結論及建議

（1）內燃機 SAE1144鋼凸輪軸側面開裂屬於 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 硫化物和鐵素體介面處萌生裂紋，鋼中存在的長條 狀硫化物及鐵素體層狀條帶對裂紋的擴充套件有促進作 用，裂紋擴充套件後造成凸輪軸開裂。

（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。合理採用脫氧工藝 和保護澆鑄，嚴格控制軋製工藝，以獲得理想的紡錘狀硫化物及顯微組織。

參考文獻：

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<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 1期 （pp：45-48）>