20CrMnTi鋼凸輪軸表面磨損失效分析

    單體泵凸輪軸也叫供油凸輪軸，它是柴油機供油系統的主要驅動部件，其作用是通過外形輪廓曲線準確驅動電控單體泵完成定時噴油。在此過程中，單體泵供油壓力和轉速的不斷變化使凸輪軸一直在重載和高頻下工作，處于復雜的應力狀態，所以要求其具有足夠的疲勞強度、沖擊韌性、表面硬度以及耐磨性能。

    筆者所在單位所使用的凸輪軸為外協廠家生產，材料為20CrMnTi鋼，其工藝流程為鍛造成型→正火→滲碳→高溫回火→淬火回火→時效→磨削加工→磁力探傷。在裝機后進行磨合試驗過程中，僅運行約2h 便出現凸輪軸軸頸表面磨損剝落現象。為了查明凸輪軸異常磨損的原因，防止同類事故的再次發生，筆者對效截面較小的零件來說，容易整體淬透，內應力過大，因此適當降低C、Cr等元素的含量，以降低淬透性。

    通過調整工藝參數和鋼材的化學成分，此軸及類似的錐齒輪軸再也沒有出現過開裂的現象。18CrNiMo7-6鋼淬透性極高，適用于重載齒輪，在實際選材中應注意適當調整其合金元素含量，熱處理冷卻工藝應注意采用較慢的冷卻速度，否則其高淬透性會帶來淬火開裂的不良后果。

宏觀檢驗

    失效凸輪軸的宏觀形貌見圖，磨損剝落發生于第一軸頸表面整個圓周范圍，并呈周向切削溝槽特征，溝槽寬度約0.75 mm。肉眼觀察可見溝槽內有較多不均勻分布的黃色異質顆粒，這是凸輪軸襯套與凸輪軸之間異質磨粒參與磨削，而導致的銅襯套金屬轉移的結果。在對磨損剝落部位線切割取樣后，測定其磨損剝落深度為0.85 mm。

力學性能測試

    在靠近凸輪軸的失效部位取樣，按GB/T 230. 1一 2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分:試驗方法》 和GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，對其進行硬度和硬化層深度測試，可見所測3項力學性能指標均滿足技術要求。

    按照GB/T 13298—1999《金屬顯微組織檢驗方法》 標準制備樣品，根據JB/T 6141. 3—1992《重載齒輪滲 碳金相檢驗》標準對其顯微組織進行檢驗評級。凸輪軸不同部位的顯微組織，可見磨損處試樣的表層存在一月牙形白亮層，其上分布有明顯的裂紋及剝落坑;將白亮層在高倍率下觀察，可知其組織為淬火馬氏體+少量殘留奧氏體。次表層為索氏體和托氏體的混合組織 。磨損處試樣的心部組織未見異常，正常處試樣的心部組織同樣未見異常。 磨損處試樣存在異常淬火組織;而正常處試樣表層組織中存在大量的塊、網狀碳化物，級低倍率下網狀碳化物更加明顯

顯微硬度測試

    顯微硬度測試是揭示硬化層分布狀態和組織變化的最直接有效的手段。為軸頸表層磨損處和正常處的表面顯微硬度分布。軸頸磨損處試樣的表層硬度雖比正常處高，但其次表層顯微硬度顯著下降。結合金相組織判斷，其表層出現異常淬火馬氏體，導致硬度比正常的回火馬氏體偏高，而其次表層受表層熱傳導的影響，相當于進行了一次中溫、高溫回火，并形成了硬度較低的回火索氏體及托氏體的混合組織，故顯微硬度值明顯偏低。

綜合分析與討論

    根據以上金相組織和顯微硬度分析結果，確定月牙形白亮層為二次淬火層，由此說明軸頸處經歷了異常淬火。再結合凸輪軸鍛件的加工工藝，初步判定其為產生于磨削加工過程的磨削淬火燒傷。工件產生磨削淬火燒傷通常受兩方面因素影響，一是熱處理后工件表層組織形貌及分布狀況，二是磨削加工工藝的完善程度。

    首先從熱處理組織方面看，由金相檢驗結果可知， 表層組織中存在評級為5級的塊狀及網狀碳化物。其產生原因是在滲碳過程中，表層碳濃度過高，表面吸附碳的速度大于擴散速度，來不及擴散的碳原子便在表層以塊狀的形態堆積分布。另一種原因是滲碳后冷卻速度太低，原本溶人奧氏體的碳原子逐漸向晶界擴散，最終以網狀形式沿晶界析出。這種網狀碳化物的存在，因其脆性極大，與基體間的界面結合力很弱，對基體的割裂作用明顯，所以極易造成材料脆化，從而加大磨削或使用過程中沿晶脆性剝落的傾向。再則，因其硬度很高，易使磨削過程中出現局部過熱而產生磨削燒傷。因此軸頸組織中塊狀、網狀碳化物的存在，為凸輪軸的早期磨損失效埋下了隱患。

    其次從磨削加工方面看，磨削過程主要表現為力和熱的共同作用。由于磨削進給量、磨削速度、冷卻情況以及砂輪的鋒利程度等因素的影響，在散熱不良的情況下，磨削區瞬間溫度可達1000℃，使工件表面溫度超過相變溫度Aci而再次發生奧氏體化，隨后在冷卻液的作用下快速冷卻，最終形成一層很薄的二次淬火馬氏體，這種強度低、脆性大的相，會嚴重降低材料的耐磨性能和疲勞強度，在外力作用下極易造成裂紋和脆性剝落。表層白亮層中的裂紋及剝落坑就是最直接有力的證據，所以說磨削二次淬火馬氏體是凸輪軸產生磨損失效的誘因。