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汽車水泵軸承斷裂分析與解決方案 蓋茨勝地汽車水泵產(chǎn)品(煙臺)有限責任公司 （山東 264006） 孫國棟 冉秋 朱淑玲 煙臺宋和宋科學技術應用工程有限責任公司 （山東 264006） 劉愛輝 【摘要】針對汽車水泵軸承發(fā)生斷裂的失效問題，對斷軸的形貌、化學成分、硬度及金相等進行了檢驗和分析，表明斷裂的主要原因是泵軸的強度偏低和退刀槽存在尖端缺口效應，屬典型的疲勞斷裂。提出了改變水泵軸承熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的解決方案，有效地解決了水泵軸承斷裂的質量問題。 關鍵詞：汽車水泵軸承；疲勞斷裂；感應淬火 汽車水泵是發(fā)動機冷卻系上的關鍵部件，其在水泵軸承的一端通過皮帶輪輸入扭矩，帶動另一端的葉輪旋轉。為適應發(fā)動機的大功率、高效率的發(fā)展要求，對水泵軸承提出了更高的性能要求。斷裂、腐蝕、剝落和漏脂等是汽車水泵軸承常見的失效模式，其中以斷裂的危害最大，因此對斷裂的失效模式進行分析并制定相應的預防措施是十分必要的。 某型號汽車水泵在車輛運行大約200小時后發(fā)生軸承斷軸問題，用戶嚴重抱怨。該水泵軸承型號為WR1938148，產(chǎn)品結構如圖1所示，斷口發(fā)生在法蘭盤后部的退刀槽處。為了掌握該水泵軸承斷裂的原因，對失效件進行了檢驗和分析。 1 2 3 4 5 6 圖1 1.皮帶輪 2.法蘭盤 3.水泵軸承 4.殼體 5.水封 6.葉輪 1.斷口分析 ( a ) ( b ) 圖3 500x 浸蝕方法：4％硝酸酒精溶液浸蝕 斷口形貌如圖2所示，疲勞裂紋擴展臺階和條紋清晰可見，根據(jù)其特征將斷口分為3個區(qū)域：起裂源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)。通過肉眼和低倍鏡觀察發(fā)現(xiàn)：1區(qū)出現(xiàn)明顯的反復摩擦痕跡，因此可以斷定此處為疲勞裂紋的起始位置。1區(qū)的下方出現(xiàn)放射狀條紋，而且有明顯的撕裂痕跡，所以該區(qū)為疲勞裂紋擴展區(qū)。2區(qū)的起始位置存在明顯的撕裂痕跡，之后又沒有出現(xiàn)，這說明裂紋在開始擴展時速度很快。隨著裂紋的加深，擴展速度不斷減小，最后僵持停留一段時間，在斷口上留下停留痕跡。當裂紋擴展到臨界值，軸的剩余截面無法克服彎扭復合應力時，就造成以剪應力為主的瞬時剪切疲勞破壞，因此3區(qū)存在拉長的韌窩，且有弧形劃痕。通過斷口的觀察和分析可知，斷面屬典型的彎扭復合疲勞斷裂。在開始時，裂紋的起裂和擴展主要以彎曲應力為主，一旦起裂，裂紋擴展速度由快變慢，之后進入裂紋擴展僵持階段，最后以剪應力為主造成軸的斷裂失效。 圖2 1.起裂源區(qū) 2.疲勞裂紋擴展區(qū) 3.瞬時斷裂區(qū) 1 2 3 2.化學成分檢驗 對斷軸取樣進行化學成分檢驗，根據(jù)GB/T 18254-2002判定化學成分合格，檢驗結果見表1。 表1 化學成分（質量分數(shù)） （％） 項目 C Si Mn Cr Mo P S Ni Cu 不大于 標準值 0.95～1.05 0.15～0.35 0.25～0.45 1.40～1.65 ≤ 0.10 0.025 0.025 0.30 0.25 試樣 1.02 0.24 0.36 1.45 0.03 0.018 0.011 0.06 0.13 材料中的高碳可以得到高含量的馬氏體從而保證高的硬度及耐磨性，同時還有利于形成高硬度的碳化物，進一步提高硬度和耐磨性。Si、Mn是常規(guī)元素，有利于固溶強化，同時可以提高鋼的淬透性。Cr一方面可以提高淬透性，另一方面還可以形成合金滲碳體，使鋼中的碳化物細小均勻，從而大大提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強度。 3.硬度檢驗 退刀槽 水泵軸的熱處理工藝及硬度規(guī)范見表2，熱處理設備采用的是網(wǎng)帶爐。經(jīng)測試斷軸的硬度為62HRC，符合規(guī)范要求。 表2 水泵軸的熱處理工藝及硬度 材料 熱處理工藝 硬度/HRC 淬火溫度/℃ 冷卻劑 回火溫度/℃ GCr15 84010 油 160 58～63 GCr15的Ac1、Ac3分別是760℃和900℃，因此淬火溫度定為84010℃，回火溫度根據(jù)相關規(guī)范要求確定為160℃。關于淬火回火保溫時間，和加熱爐功率、裝爐量以及零件有效壁厚等相關，通常保證零件均勻熱透為準。 4.材料金相檢驗 用斷軸制備試樣進行金相檢驗，圖3a為心部顯微組織圖片，馬氏體評定為二級，圖3b為硬化層碳化物顯微組織圖片，淬火、回火碳化物二級。其組織有黑區(qū)和白區(qū)之分，黑區(qū)是以板條狀馬氏體為主的隱晶馬氏體，白區(qū)是以孿晶馬氏體為主的隱針馬氏體。 由以上結果來看，軸顯微組織由細小結晶馬氏體，隱晶馬氏體，少量細小針狀馬氏體，少量殘留碳化物和適量的殘余奧氏體組成，導致心部硬度較高，韌性較低。同時，在實際應用中,材料總是不可避免存在原始缺陷(如微裂紋、夾渣、偏析等),這些缺陷破壞了材料組織的連續(xù)均勻性,導致材料機械強度的降低。在皮帶輪的徑向載荷沖擊作用下，上述缺陷逐步發(fā)展成為裂紋, 出現(xiàn)疲勞失效，最終斷裂。 5.解決方案 通過檢驗分析確定斷軸屬典型的彎扭復合疲勞斷裂，其化學成分、硬度、金相組織以及熱處理工藝等均滿足相關技術規(guī)范的要求。但是，淬火后的軸韌性不足，導致彎扭疲勞強度低。其次，根據(jù)圖1分析顯示，皮帶輪的載荷通過法蘭盤傳遞至水泵軸承軸，而法蘭盤后部的退刀槽存在尖端缺口效應，是應力集中部位，極易出現(xiàn)裂紋源。因此，可以通過改變水泵軸承熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的解決方案，來解決水泵軸承斷裂的質量問題。 5.1 熱處理工藝的優(yōu)化 為解決淬火后軸的韌性不足問題，采用了表面高頻感應淬火工藝，熱處理工藝及硬度規(guī)范見表3。 表3 水泵軸的高頻感應淬火和回火工藝及其硬度 淬火工藝 回火工藝 電壓/V 頻率/KHz 溫度/℃ 時間/S 硬度/HRC 溫度/℃ 時間/H 硬度/HRC 390～400 22 87020 5～5.5 623 14010 2 58～63 表面感應淬火，加熱快速和短時間的保溫會降低奧氏體的碳含量，這樣更容易得到亞結構高密度位錯的板條狀馬氏體而非針狀馬氏體，所以韌性較之前有所提高。而且感應淬火表面會產(chǎn)生壓應力，外硬內韌的零件可以有效地提高抗疲勞強度，從而避免斷軸現(xiàn)象的再次發(fā)生。顯微分析可知淬火得到的組織為隱晶馬氏體及細小均勻分布的碳化物和少量的殘余奧氏體。保留的少量殘余奧氏體可以松弛應力，起緩沖作用，因殘余奧氏體又軟又韌，能部分吸收馬氏體化急劇膨脹能量，緩和相變應力，防止裂紋的產(chǎn)生。淬火完畢后及時進行低溫回火，一般三小時之內必須回火，否則內應力易造成開裂。 經(jīng)試驗測試表明，軸表面硬度為58～63HRC，深度為（0.8～4.0 ）（550HV），心部硬度不大于179～271HBS為比較理想狀態(tài)。 5.2 產(chǎn)品結構的優(yōu)化 為解決法蘭盤后部退刀槽的尖端缺口效應并提高軸的機械強度，將軸的退刀槽移至法蘭盤前端，結構優(yōu)化后的產(chǎn)品結構如圖4。優(yōu)化后軸的承載部分直徑變大，并且之前容易形成應力集中的溝槽部位不再承受皮帶輪的載荷，結構更加科學合理，有效地提高了軸的承載能力。 6.結語 WR1938148退刀槽 1 2 3 4 5 6 圖4 1.皮帶輪 2.法蘭盤 3.水泵軸承 4.殼體 5.水封 6.葉輪 水泵軸承的早期斷裂失效屬典型的疲勞斷裂，通過對失效件進行檢驗和分析，最終通過高頻感應淬火熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的方案，有效地提高了軸的抗疲勞強度和承載能力，從而避免了水泵軸承斷軸現(xiàn)象的再次發(fā)生。同時感應淬火具有加熱均勻、變形小、質量穩(wěn)定、自動化程度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，是普通淬火處理無法比擬的。 作者簡介： 孫國棟 山東煙臺，機械工程師，長期從事汽車水泵的設計、制造和質量管理工作。電話：18660563133 Email：sungd-yt@163.com