針對曲軸兩大失效模式:軸頸磨損和疲勞斷裂,需要對曲軸表面進(jìn)行強(qiáng)化處理.經(jīng)表面強(qiáng)化處理后的曲軸,在硬度,耐磨性及抗疲勞強(qiáng)度等方面有不同程度的提高,從而有效保證曲軸的性能.
曲軸是內(nèi)燃機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵零件，在內(nèi)燃機(jī)五大件中是最難以保證加工質(zhì)量的零件。由于曲軸工況條件惡劣，因此對曲軸的材質(zhì)、毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。若其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)沒有保證質(zhì)量，即可嚴(yán)重影響曲軸的壽命和整機(jī)的可靠性。
曲軸材質(zhì)目前主要分兩類：一類是鍛鋼，另一類是球墨鑄鐵。采用鑄造方法可獲得較為理想的結(jié)構(gòu)形狀，有利于曲軸的輕量化設(shè)計(jì)，且加工余量隨鑄造工藝水平的提高而減小。另外，球墨鑄鐵的切削性能良好，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理來提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而且球鐵中的內(nèi)摩擦所耗功比鋼大，減小了工作時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅和應(yīng)力，應(yīng)力集中也沒有剛質(zhì)曲軸敏感，所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。對于160 kW以上的大功率曲軸，則優(yōu)先采用鍛鋼曲軸。
無論是鍛鋼曲軸還是球墨鑄鐵曲軸，一般都必須實(shí)施表面強(qiáng)化處理工藝，其目的在于針對曲軸的兩大失效模式：軸頸磨損和疲勞斷裂。經(jīng)表面強(qiáng)化處理后的曲軸，在硬度、耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度方面有不同程度的提高。針對不同材質(zhì)、不同工況條件的曲軸，應(yīng)采用不同的表面處理技術(shù)，才能達(dá)到較好的處理效果。
曲軸表面處理方法較多，但歸納起來可以分為以下幾種：
1．氮化處理
曲軸的氮化包括氣體軟氮化、離子氮化和鹽浴氮化等，適合于各類曲軸，其功能主要是提高曲軸軸頸的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，對提高曲軸疲勞強(qiáng)度方面貢獻(xiàn)不大，大約30%左右。
氣體軟氮化由分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)基本過程組成。在氣體軟氮化過程中，滲劑不斷分解，產(chǎn)生活性氮原子和活性碳原子，這些活性原子被吸附到曲軸表面并擴(kuò)散滲入到球墨鑄鐵中。氣體軟氮化的溫度一般為570℃左右。氣體氮化一般不會(huì)降低曲軸的表面粗糙度等級，但是由于曲軸出爐冷卻過程中同空氣接觸，從而形成一層很薄的、容易脫落的氧化膜，它將危害軸瓦的正常工作，因此曲軸氮化處理后，重要部位須進(jìn)行拋光處理。
氮化處理后，曲軸的表面形成結(jié)構(gòu)均勻、具有一定韌性且硬度很高的致密化合物層，它對提高曲軸的耐磨性起著主要作用；另外與化合物結(jié)合成緊密的、由表及里并具有相當(dāng)高硬度的擴(kuò)散層，同樣起著提高耐磨性的作用；同時(shí)，氮化層組織本身具有一定潤滑減磨作用，使曲軸的摩擦系數(shù)大大降低。氮化后曲軸表面致密化合物層化學(xué)性能極為穩(wěn)定，使其具有良好的耐腐蝕性，這是其他表面處理方式無法達(dá)到的。圖1為氮化后的曲軸軸頸表面。
離子氮化和鹽浴氮化等雖然工藝方法與氣體軟氮化不同，但其功效相似，在硬度、耐磨性和耐腐蝕性方面有很大提高。
2．圓角噴丸
由于曲軸在交變應(yīng)力作用下工作，軸頸圓角處發(fā)生應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞破壞的危險(xiǎn)性極大，圓角噴丸技術(shù)應(yīng)需而生，適合于各類曲軸。
曲軸圓角噴丸強(qiáng)化的機(jī)理是，用嚴(yán)格控制直徑并具有一定強(qiáng)度的丸粒，在高速氣流的作用下，使其形成彈丸流并連續(xù)向金屬表面噴射，使金屬表面產(chǎn)生較大的塑性變形，進(jìn)而形成冷作硬化層。
由于曲軸在加工過程中受到切削力的作用，圓角處應(yīng)力分布極不均勻，工作中又受到交變應(yīng)力的作用，因此很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而使曲軸的疲勞壽命降低。曲軸圓角經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，由于強(qiáng)化層內(nèi)存在很高的殘余壓應(yīng)力，使曲軸在工作中抵御了拉應(yīng)力的擴(kuò)展，從而彌補(bǔ)了機(jī)械加工中曲軸圓角表面應(yīng)力分布不均勻的缺陷，改善了曲軸圓角表面應(yīng)力狀態(tài)。從組織機(jī)構(gòu)來看，由于受到高速彈丸流的錘擊，圓角表面的金屬晶格發(fā)生了強(qiáng)烈的扭曲，產(chǎn)生了強(qiáng)化層。由于強(qiáng)化層具有密度極高的位錯(cuò)，它對晶格因受拉力的作用而產(chǎn)生沿晶界的滑移有阻止作用；同時(shí)，在交變應(yīng)力或溫度的作用下，位錯(cuò)逐漸地并形成多邊形結(jié)構(gòu)后，使強(qiáng)化層內(nèi)形成更加微小的晶粒。這種變化有效抑制了應(yīng)力腐蝕，延長了疲勞壽命。
曲軸經(jīng)圓角噴丸處理后能提高疲勞強(qiáng)度的20%～40%，對其他性能無提高功效，又因噴丸時(shí)須保護(hù)軸頸表面，故采用較少。
3．軸頸淬火（含圓角淬火）
曲軸軸頸淬火是為了增加曲軸軸頸表面的硬度和耐磨性，并提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。
球墨鑄鐵淬火過程中基體組織的轉(zhuǎn)變與鋼基體相同。即將鑄件加熱到Ac以上溫度，保溫一定時(shí)間，使基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在淬火液中快速冷卻，得到馬氏體組織。
（1）淬火溫度 根據(jù)球鐵的化學(xué)成分和原始組織來選擇。如含硅量在2%～3%時(shí)，淬火溫度取850～900℃為宜。含硅量高，取上限，反之取下限。過高的淬火溫度，將使馬氏體針變粗并增加殘余奧氏體量，使機(jī)械性能變壞，尤其韌性顯著下降。因此，在保證奧氏體化的前提下，應(yīng)盡量采用較低的淬火溫度。
（2）保溫時(shí)間 為了使一部分石墨碳在淬火加熱時(shí)融入奧氏體，必須有一定的保溫時(shí)間，但保溫時(shí)間太長會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化。因此，保溫時(shí)間在能保證奧氏體為碳所飽和的原則下，愈短愈好。此外，原始組織對保溫時(shí)間有較大影響。原始組織為鐵素體基體者，保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長。
（3）回火 球鐵淬火后的基體組織為馬氏體+少量殘余奧氏體，硬度可達(dá)58～60 HRC。淬火組織不穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力很大，強(qiáng)度低，脆性，因此必須在4 h內(nèi)立即回火。
軸頸淬火（含）在鍛鋼曲軸中應(yīng)用比較普遍，它是提高鋼曲軸硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的最有效手段之一，目前已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工。該強(qiáng)化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時(shí)，能提高疲勞強(qiáng)度的20%，而應(yīng)用于鋼軸時(shí)，則能提高100%以上，故在鋼軸中應(yīng)用比較普遍。圖2為鍛鋼曲軸軸頸與圓角淬火截面圖。
4．滾磨光整
滾磨光整是指零件在獲得規(guī)定的尺寸精度、幾何精度之后，那些旨在提高零件表面質(zhì)量為目的的多種加工方法、技術(shù)被稱為表面光整加工技術(shù)，簡稱光整技術(shù)。根據(jù)顆粒狀磨料的大小，可分為毛坯表面光整加工技術(shù)和精密表面光整加工技術(shù)。
該技術(shù)可簡要概括為：由顆粒狀磨料和多功能磨液以及水組成磨具，磨具在料箱中做復(fù)雜的自由運(yùn)動(dòng)，將工件沉沒于磨具之中并強(qiáng)制其運(yùn)動(dòng)，工件和磨具之間以一定的相對速度和作用力發(fā)生摩擦、擠壓、刻劃和微量切削，以達(dá)到零件表面質(zhì)量的提高，具體效果和特點(diǎn)包括：
（1）能較全面徹底地去除毛刺、鈍化尖角銳邊，對于復(fù)雜形狀及大批量生產(chǎn)的零件效果尤佳。
（2）粗糙度的數(shù)值可在原來的基礎(chǔ)上通過光整加工提高1個(gè)等級。
（3）可大幅度提高表面輪廓支承長度率Tp值，提高表面耐磨性。
（4）光整加工表面的紋理呈現(xiàn)非連續(xù)無方向麻點(diǎn)細(xì)粒狀P形紋理，更利于儲(chǔ)油提高抗磨性。
（5）能去除手工無法去除的銹蝕、氧化層和改善缺陷，使表面光亮奪目手感光滑柔和。
（6）光整加工對尺寸只有微米級的影響（約減少1～3 mm），不改變前面工序的尺寸和形位精度。
（7）提高零件的清潔度，降低數(shù)值。
（8）光整加工具有零件整體性加工的特點(diǎn)，即將零件沉沒于磨具之中，對各表面不分工序，同時(shí)加工。
綜合上述特點(diǎn)，光整加工可改善零件的裝配性，提高耐腐蝕性、抗磨性和疲勞強(qiáng)度，從而提高了曲軸的可靠性和使用壽命。圖3為滾磨光整后的曲軸表面。
5．圓角滾壓
曲軸的圓角滾壓是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點(diǎn)：
（1）產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，可與曲軸在工作時(shí)的拉應(yīng)力抵消或部分抵消，從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。
（2）硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層，使曲軸的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度得到提高。
（3）改善表面粗糙度。圓角滾壓可使曲軸圓角表面粗糙度達(dá)到Ra0.2以下，從而大大減小了圓角處的應(yīng)力集中，提高了疲勞強(qiáng)度。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料：球鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高70%～150%，國外的數(shù)據(jù)顯示可達(dá)到200%以上。由此可見，采用圓角滾壓強(qiáng)化工藝，可使大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用球鐵制造，從而代替鍛鋼曲軸，節(jié)約加工成本和材料成本。圖4為圓角滾壓后的曲軸軸頸圓角形態(tài)。
結(jié)語
曲軸表面強(qiáng)化處理方式較多，一般有氮化處理、圓角噴丸、淬火處理、滾磨光整和圓角滾壓等5種處理方式。目前，應(yīng)用較多的是復(fù)合強(qiáng)化工藝，一般有兩種：氮化加圓角滾壓工藝和淬火加圓角滾壓工藝。
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