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【摘 要】柴油機曲軸承受復雜交變的彎曲-扭轉載荷和一定的沖擊載荷，疲勞斷裂是曲軸的主要破壞形式，裂紋源易發生在連桿軸頸與曲臂過渡圓角處，工藝上提高曲軸疲勞強度的方法主要是圓角強化，在其表層形成一定的壓應力來實現的。介紹了滾壓、淬火、氮化、噴丸、激光沖擊強化等工藝方法，分析曲 軸強化機理和工藝方法，為提高曲軸使用壽命提供了參考。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
關鍵詞：球墨鑄鐵曲軸；滾壓；淬火；氮化；噴丸；激光沖擊強化

1 引言
曲軸是發動機主要零件之一，承受負荷最大，使曲軸各部分產生彎曲、扭轉、剪切、拉壓等交變應力[1]，其損傷一般有疲勞裂紋、軸頸磨損、彎曲變形和扭轉變形等。曲軸連桿軸頸與曲柄過渡圓角處表面承受交變應力最大，會產生嚴重的應力集中，疲勞裂紋一般最容易在此部位產生，并向曲柄深處發展，造成曲軸的最終斷裂[2]，曲軸圓角部位的疲勞破壞是主要的失效形式。因此，曲軸要求有足夠的強度、剛度、耐磨性和平衡精度，在曲軸的制造過程中，必須對其進行強化處理。曲軸強化處理是在不改變曲軸材料和結構前提下，采用物理、化學和機械的方法使曲軸得到強化，以提高曲軸各項力學性能的工藝方法[3]。國內外柴油機曲軸的主要強化方法有滾壓、淬火、氮化、噴丸、激光沖擊強化等，其中滾壓是曲軸的有效的強化方法，用機械力通過滾壓滾輪對圓角表面進行滾壓[4~6]，使其表面產生塑性變形而形成硬化層，并且自表至里產生殘余壓應力，從而提高曲軸疲勞強度。淬火是通過感應器使曲軸軸頸表面產生一定頻率的感應電流，將軸頸表面迅速加熱，然后迅速淬火冷卻的一種熱處理方法[7~9]，使曲軸軸頸表面獲得高硬度的淬硬層，淬硬部位產生殘余壓應力[10~11]，提高其疲勞強度。氣體軟氮化強化處理曲軸變形小[12]，對軸頸表面影響小，處理件表面的抗磨、抗疲勞、抗腐蝕性能好。噴丸強化是通過丸粒打擊，以壓縮空氣為動力源，使強化部位產生有益的殘余壓應力，而達到提高曲軸強度的方法。激光沖擊強化處理一般指曲軸各軸頸精加工完畢之后進行的強化方法[13]，要求在強化處理后基本不變形。本文對上述的曲軸強化技術進行了研究，分析了其強化機理，對于提高曲軸壽命具有很現實的意義。
2 曲軸表面強化處理
2.1 滾壓強化
柴油機曲軸圓角經機械滾壓強化后，可使表面硬度增加，疲勞強度提高，承載能力增大。球鐵曲軸圓角滾壓強化已成為普遍采用的強化方法。曲軸工作過程中所受的應力為拉—壓交變應力[4]，其疲勞破壞形式主要受拉壓交變應力的影響，如圖 1（a）所示。圓角滾壓強化工藝，如圖1（b）所示。

（a） 曲軸應力狀態      （b） 滾壓裝置       （c） 強化層的形成
圖 1 滾壓工藝示意圖

滾壓強化是利用自由轉動的滾子，對圓角表面均勻施加壓力，使其產生微塑性變形后得以強化，產生殘余壓應力，如圖 1（c）所示.。過渡圓角滾壓是用兩個滾子同時對準兩個圓角一邊滾動一邊擠壓，如圖 1（b）所示，圓角表面壓光并擠壓產生塑性變形使其表層一定深度范圍內形成殘余壓應力，可以抵消原來的磨削殘余拉應力和部分工作拉應力，使它遠小于材料抗拉強度。當滾壓力消除后，在圓角部位形成殘余壓應力，可抵消（或部分抵消）曲軸圓角部位的工作拉應力，從而大幅度提高曲軸疲勞強度。
圓角滾壓強化其工藝流程為：打中心孔—粗車—軸頸感應淬火—精磨—滾壓強化—滾壓校直—拋光—清洗。滾壓強化是在 SR-1 通用型曲軸滾壓機上進行。滾壓時工件轉速為 30r/min[5]，考慮到在生產中的工藝、材料波動和滾壓工藝參數的穩定性，為了曲軸安全起見，確定滾壓次數為 10 圈[6]。圓角滾壓是使表層材料變形的強化
方法，軸頸圓角處材料在滾輪高接觸應力作用下發生強烈變形，在圓角表層形成數值高、深度大的殘余壓應力場，如圖 2 所示，從而提高曲軸的強度。圓角滾壓對球鐵軸的強化是最有效的方法之一，可提高曲軸壽命約 80%以上，最大可提高 150%[6]。圓角滾壓的強化效果主要取決于滾壓參數、材料剪切屈服強度和變形能力相關。

圖 2 深度方向殘余應力分布

2.2 淬火處理
2.2.1 感應加熱
利用加熱感應圈對曲軸圓角加熱如圖 3（a）所示，等溫淬火工藝：奧氏體化溫度（900~920）℃，等溫溫度（340~360）℃，等溫時間為 60min[7]，等溫淬火在鹽浴爐內進行，其工藝如圖 3（b）所示。
感應加熱表面淬火鍛鋼日軸軸頸圓角經感應加熱淬火，疲勞強度提高 1 倍。目前國內外普遍采用半環式感應器的曲軸旋轉感應加熱機床[8]，使軸頸在橫向磁場中加熱，磁場不受曲柄、平衡塊影響，加之曲軸旋轉。因此，加熱均勻，軸頸及圓角硬化區硬度一致，油孔四周無裂紋，變形量減少。圓角淬火是通過改變材料顯微組織如圖 3（c）所示，提高表層硬度，在圓角處形成殘余壓應力場而提高曲軸強度。

（a） 曲軸連桿軸頸處加熱感應器                    （b） 熱處理工藝曲線

（c） 連桿頸淬硬層             （d） 圓角處深度方向殘余應力分布
圖 3 曲軸感應加熱淬火

圓角淬火對曲軸軸的強化效果明顯，曲軸彎曲疲勞強度可提高約 80%以上。如圖 3（c）所示，為淬火后軸頸圓角處從表面至心部的隨深度變化的殘余應力分布，表面殘余應力為（-300）MPa以上，表面以下 1mm 處達到最大應力（-459）MPa，然后隨著向內層的趨近，壓應力逐漸減小，至 2.9mm 時轉變為拉應力[9]。
2.2.2 激光淬火
激光淬火如圖 4（a）所示，對曲軸主軸頸和連桿軸頸進行圓角激光淬火強化的目的是使圓角處形成殘余壓應力，以提高疲勞強度。球鐵曲軸激光淬火后的相變區組織為 M+A 殘余+G 球[10]，基體中珠光體轉變成高碳片狀馬氏體，石墨球周圍形成馬氏體環帶。M 環的產生是激光相變過程中石墨球向周圍牛眼狀鐵素體擴散碳，使鐵素體被碳富化，從而淬火后獲得了馬氏體環 [10]，馬氏體片的尺寸較常規熱處理細小，一般為（5~6）級，硬度也很高。激光淬火相變硬化處理后，曲軸圓角表面存在較大殘余壓應力峰值450MPa[10]，在較深層處存在殘余拉應力，如圖 4（b）所示。

（a） 曲軸激光淬火           （b） 深度方向殘余應力分布
圖 4 曲軸激光淬火

2.3 噴丸處理
圓角噴丸是通過噴丸在曲軸圓角表面形成壓應力而提高曲軸疲勞強度。其強化效果由噴丸參數決定，噴丸強化效果有限，球鐵曲軸的中值彎曲疲勞極限彎矩僅提高（5~12）%[11]。
噴丸強化處理在氣動式噴丸機上進行，是利用大量高速運動中的珠丸沖擊曲軸圓角表面，使之產生表面冷硬層，并在其表面產生殘余壓應力，從而有效地提高曲軸疲勞強度。其工藝參數[11]：珠丸直徑為 0.2μm，嘴與圓角的距離為 200mm，噴射角度為（45~60）°，壓力為 50MPa，噴丸時間 20min，噴丸后弧高度大于 0.40mm，圓角表面覆蓋率為 95%以上。連桿頸分中頻淬火+噴丸處理后的殘余應力測定結果，如圖 5 所示。噴丸強化處理后，軸頸各部位的殘余壓應力普遍得到提高，經噴丸強化的曲軸疲勞強度比等溫淬火提高 1 倍。

圖 5 連桿軸頸淬火+噴丸后殘余應力分布

2.4 軟氮化處理
氣體軟氮化過程：曲軸在氣體滲碳爐中進行尿素軟氮化，當爐溫升至 500℃時將試樣和曲軸裝入爐內，開始向爐內滴入甲醇，滴入量為（70~100）滴/min，進行排氣，排氣時間 0.5~1h[12]。待升溫到（560~570）℃氮化溫度時，按（400~600）g/h 送進尿素，同時停滴甲醇，并在氮化溫度下保溫（3~3.5）h，爐內壓力控制在（30~50）
mm 水柱[12]。同時向爐內滴入少量的四氮化碳，以便有效地去除表面的鈍化膜。從而加快軟氮化速度，氮化后出爐油冷，以便使含氮奧氏體向含氮馬氏體轉變，有利于提高滲氮層的硬度，其軟氮化工藝，如圖 6 所示。氮化處理工藝是一種在軸頸圓角處引入殘余壓應力的強化手段。曲軸的整體氮化不僅提高曲軸彎曲疲勞強度，又增加了軸頸耐磨性。

圖 6 氣體軟氮化工藝曲線

2.5 激光沖擊強化
激光表面強化技術是以提高金屬材料表面硬度、耐磨性、抗蝕性和抗高溫氧化性為目的的技術。由于高能量激光與材料相互作用，伴隨有傳熱、輻射、固化、分子取相及可能的結晶等物理變化，可以為材料表面強化提供一種新的技術手段。激光表面強化已經成為現代先進的加工和制造技術，經激光沖擊處理后曲軸表層晶粒細化，如圖 7 所示，顯微硬度得到了明顯的提高，其顯微硬度可高達600HV，強化層深度為 1.0mm，對粗糙度沒有影響，可以顯著地改善材料的耐磨性，增加材料的疲勞壽命。激光沖擊強化后曲軸圓角處應力分布得到了改善，殘余應力達由拉應力轉達變成壓應力，其平均值達到-300MPa，減少了微裂紋的產生，提高了其疲勞壽命。

（a） 原始狀態 （b） 激光沖擊處理
圖 7 激光沖擊處理后表面形貌

如圖 8（a）所示，為曲軸表面原始狀態掃描電鏡能譜分析圖譜，可以看出石墨中 C 含量很高，并存在 Fe、O 等雜質元素。鐵素體和馬氏體中含量以 Fe 元素為主，摻雜有少量的 Si、O、C 等元素。經激光沖擊處理后曲軸表面能譜分析圖譜，如圖 8（b）所示。化學元素分布與原始狀態是一致的，沒有發生化學元素的遷移。

（a） 原始狀態                                                （b） 激光沖擊處理

圖 8 曲軸表面能譜分析

如圖 9 所示，經過激光沖擊后曲軸材料的表層硬度得到明顯提高，表面硬化層的顯微硬度可高達 590HV，硬化層深度約為1.0mm，耐磨性和抗擦傷性能得到顯著提高。

圖 9 曲軸激光沖擊強化后硬度

3 結束語
發動機曲軸連桿與曲柄過渡的圓角經滾壓、淬火、氮化、噴丸、激光沖擊處理等表面強化后，在其表面產生了強化層，提高了其表面顯微硬度，使得其軸頸耐磨性能有較大幅度提高，在其表面產生了有益的殘余壓應力場，提高了曲軸的疲勞壽命。對于曲軸強化方法的選擇主要考慮的是材料、產品要求、生產綱領和工藝成本，在實際工作需要上述工藝的綜合，使曲軸圓角處應力處于最優狀態，以利于提高其疲勞壽命。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
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