内燃机SAE1144钢凸轮轴冷加工开裂原因

彭 磊,徐旋旋,戴林荣

(中天钢铁集团有限公司,常州 213011)

易切削钢具有良好的切削加工性能[1]，其切削性能主要取决于钢中的夹杂物种类、形态、大小、数量及分布情况[2-3]。SAE1144钢属于中碳含硫易切削钢，是美国ASTM标准中一种硫质量分数为0.30%左右的易切削钢，类似于国标的Y40Mn钢，该钢锰含量较高,淬透性高,经调质处理后综合力学性能较好，具有良好的切削性能、较高的强度和硬度[4]。SAE1144钢适用于加工刚性要求高的零件，如丝杠、光杆、齿条和花键轴等。某内燃机凸轮轴材料为SAE1144钢，加工工艺流程为φ20 mm热轧盘条→拉拔至φ19 mm→矫直→锯切→表面车削至φ18.4 mm→车削端面及中心钻孔及镗孔→后续加工。在镗孔加工时发现该凸轮轴产生裂纹，造成凸轮轴报废。笔者采用化学成分分析、金相检验等方法，对该凸轮轴开裂原因进行分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该内燃机凸轮轴的宏观形貌见图1，尺寸为φ18 mm×30 mm，凸轮轴一端中间有盲孔，盲孔尺寸为φ6 mm×20 mm，孔壁厚为6 mm。由图1可见：该凸轮轴上有1条裂纹，其侧面裂纹沿轴向扩展，贯穿整个零件长度；该凸轮轴盲孔端面裂纹沿径向向内扩展，裂纹深度约为5.3 mm，几乎贯穿孔壁。

图1 内燃机凸轮轴不同位置处裂纹的宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用OBM750型直读光谱仪对该内燃机凸轮轴进行化学成分分析，结果见表1，可见零件的化学成分符合ASTM A29/A29M-16StandardSpecificationforGeneralRequirementsforSteelBars,CarbonandAlloy，Hot-Wrought标准对SAE1144钢的技术要求。

表1 内燃机凸轮轴的化学成分

1.3 金相检验

在距内燃机凸轮轴盲孔端面约10 mm处截取横截面试样进行观察。由图2可见，裂纹开口处裂缝宽度较大，随着裂纹的扩展，裂缝宽度逐渐减小，裂纹内无氧化物，裂纹两侧无脱碳现象。由图3可见，凸轮轴的显微组织为铁素体+珠光体，铁素体中的灰色点状物为硫化物。

图2 内燃机凸轮轴盲孔端面裂纹不同位置处的微观形貌

图3 内燃机凸轮轴的显微组织

在内燃机凸轮轴侧面裂纹处截取纵截面试样进行观察。由图4可见：裂纹整体呈阶梯状扩展，是由多节纵向裂纹与剪切裂纹相互连接组成的，每一节纵向裂纹呈近似规则的长方形，两端较平齐；纵向裂纹沿硫化物进行扩展；纵向裂纹一侧可见长条状硫化物。由图5可见，经4%(体积分数)硝酸酒精浸蚀后，裂纹两侧组织为铁素体层状条带，铁素体内有长条状硫化物，纵向裂纹沿铁素体层状条带开裂。

图4 内燃机凸轮轴侧面裂纹的微观形貌(抛光态)

图5 内燃机凸轮轴侧面裂纹处的微观形貌(腐蚀态)

1.4 断口分析

将内燃机凸轮轴盲孔端面沿裂纹断开后，观察其断口的微观形貌。由图6可见，整个断口沿纵向呈不平整的木纹状，有明显分层现象，具有层状撕裂的特点，断面有粗大长条状硫化物。

图6 将内燃机凸轮轴盲孔端面沿裂纹断开后的断口微观形貌

2 分析与讨论

内燃机凸轮轴的化学成分符合ASTM A29/A29M-16标准对SAE1144钢的技术要求，其显微组织为铁素体+珠光体，其间分布着大量硫化物，这是SAE1144钢热轧后的正常组织。

内燃机凸轮轴侧面裂纹沿轴向呈直线状连续分布，贯通整个凸轮轴长度，并沿盲孔端面径向向内扩展，几乎贯穿凸轮轴孔壁。裂纹内无夹杂物，裂纹两侧组织无异常和脱碳现象。凸轮轴的主要加工过程为冷加工。根据裂纹形貌特征和凸轮轴加工工艺可知，该凸轮轴表面裂纹是在冷加工应力作用下形成的，不是原材料内部存在的初始裂纹。

内燃机凸轮轴侧面裂纹由多节纵向裂纹和剪切裂纹相互连接组成，整体呈阶梯状，每一节纵向裂纹呈近似规则的长方形，两端较平齐。剪切裂纹是由纵向裂纹在横向剪切力作用下被剪断形成的。纵向裂纹端部和旁侧可见长条状硫化物，这是一种在较高应力作用下引起的夹杂物剥离、扩展、剪切形成的阶梯状裂纹。将凸轮轴端面沿裂纹断开后观察发现，断面可见明显的分层现象，这符合层状撕裂裂纹的形貌特征[5-8]，表明该凸轮轴的开裂属于层状撕裂。

硫系易切削钢属于高硫钢，硫元素易形成偏析，在硫化物及其他夹杂物聚集区域易形成较高的应力集中。层状撕裂的形成需满足以下三个条件：(1)存在较高的应力作用；(2)钢中存在长条状硫化物或层片状硫化物；(3)基体组织为铁素体层状条带组织。金相检验结果表明，该凸轮轴侧面裂纹两侧的显微组织为层状条带铁素体，铁素体内存在长条状硫化物，裂纹沿层状条带铁素体和硫化物界面处进行扩展。长条状硫化物和层状条带铁素体使凸轮轴在性能上存在各向异性，同时，在硫化物聚集区域容易造成较高的应力集中。因此，当凸轮轴受到横向冲击力时，就极易在组织薄弱区域及硫化物聚集区域产生裂纹。在机械加工过程(钻孔或镗孔加工)中，凸轮轴会受到车刀的环向冲击力，冷却润滑不良和凸轮轴轴心没有对齐会造成车刀切向应力过大，从而在硫化物和铁素体界面处萌生裂纹，在切向应力的继续作用下，裂纹尖端沿夹杂物所在平面进行扩展，相邻平面上的裂纹连接成阶梯状裂纹。综合分析，该凸轮轴侧面裂纹主要是在镗孔加工过程中形成的，钢中存在的长条状硫化物及铁素体层状条带对裂纹的扩展有促进作用。

3 结论及建议

(1)内燃机SAE1144钢凸轮轴侧面开裂属于冷加工应力开裂，在镗孔加工过程中，润滑不良、零件轴心没有对齐等造成车刀切向应力过大，从而在硫化物和铁素体界面处萌生裂纹，钢中存在的长条状硫化物及铁素体层状条带对裂纹的扩展有促进作用，裂纹扩展后造成凸轮轴开裂。

(2)建议严格控制镗孔加工过程中的润滑不良、零件轴心没有对齐等问题。合理采用脱氧工艺和保护浇铸，严格控制轧制工艺，以获得理想的纺锤状硫化物及显微组织。