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铸造工程
球墨铸铁曲轴断裂原因分析
钟晓斌,董琪,史传岳,顾厚军,张杰
海安县万力铸造有限公司,江苏海安226600)
摘要:针对球墨铸铁发动机曲轴发生的典型断裂,检测了曲轴的化学成分、显徽组织和力学性
能,并对其宏观断ロ进行了分析,找出了导致曲轴断裂的原因和潜在因素,提出了球墨铸铁曲
轴在生产过程中的质量控制重点。结果表明,采取针对性的工措施后,生产的曲轴未再出现
断轴问题
关键词:球墨铸铁;曲轴;断裂
中图分类号:TG255文献标识码:B文章编号:1673-3320(2014)06-0032~03
Analysis of Fracture Causes for Nodular Cast Iron Crankshaft
ZHONG Xiaobin, DONG Qi, SHI Chuanyue, GU Houjun, ZHANG Jie
(Wanli Foundry Co, Ltd, Hai'an 226600, Jiangsu, China)
Abstract: In view of the typical fracture for nodular cast iron crankshaft, the chemical composition
microstructure and mechanical properties of the crankshaft were tested, and its macro fracture was
analyzed. The fracture causes and potential factors of crankshaft were found out, and the key to quality
control of nodular cast iron crankshaft in production process was put forward. The results show that the
broken shaft disappears after specific process measures
Key words: nodular cast iron; crankshaft: fracture
公司年产某发动机专用四缸曲轴铸件15余万
根。对用户信息反馈的统计表明,该球铁曲轴的
断轴率为万分之0.87,概率虽低,却给用户造成
了一定损失,影响了企业的信誉,削弱了企业的
市场竞争能力。本文分析了球墨铸铁发动机曲轴
图1曲结构
断裂的原因,提出了王艺改进措施及生产过程中
的质量控制要点。
2铸件內在质量检测
分别在单铸试块、附铸试块和断轴本体上取
1曲轴结构和工作条件
样分析其化学成分,结果见表1。
该曲轴为四拐曲轴,其结构如图1所示。全长
从表1可以看出,化学成分波动较大,特别
590mm,主轴与连杆的中心距72mm,主要壁厚是w(Si〕和w(Mn),w(Si)最低为1.94%,w(Mn)最
64mm,最小壁厚23m:最大扭矩155Nm,最低为0.38%,W(C)大多低于下限,w(CE)时有低于
大扭矩时转速3600r/min。该发动机曲轴的原始材4.5%,说明熔炼工艺操作还很不稳定
料为锻钢,为简化工艺、降低成本,实际选择QT
为了更好地分析断裂原因,对断轴本体取样
800-2
进行显微组织和力学性能检测,结果见表2。
收稿日期:2014-04-19
作者筒介:钟晓斌(1979-),男,工程师,主要从事球墨铸铁的研究
322014年第6明
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球续曲轴断原分城
表1曲轴化学成分
we/%成45°,此处恰是壁厚最薄处,同时主轴表面和
成分工艺要求单铸试块附铸试块断轴本体
R2.5mm圆角处有明显磨损痕迹,而且圆角磨损
C3.79~3.823.74~3.803.71~3.813.72~3.79
呈不连续状态,形成偏磨,表明装配后主轴颈处
Si2.05~2.202.00~2.242.03~2.211.94~2.23
于偏心位置。
Mn0.45~0.550.41~0.530.40~0.540.38~0.56
0.020
<0.020
<0.020
<0.020
<0,.015
<0.015
<0.015
Cu0.60~0.700.61~0.720.62~0.710.60~0.73
RE0.015~0.0200.017~0.0190.018~~0.0210.015~0.022
Mg0.035~0.0400.037~0.0420.034~-0.0420.032~0.041
表2斷轴本体显微组织和力学性能
项目
工艺要求断1断2断3
球化等级1~3级>5级2级3~4级
石墨大小5~8级5级6~7级5级
显微珠光体数量6≥7555
组织
80
碳化物数量%≤2
磷共晶数量/%≤1.50.5
硬度HBW240~320188
236
力学抗拉强度MPa≥800455827814
性能屈服强度AMPa≥48032449446
图2曲轴断裂位置
伸长率/
≥2
2.6
6.3
对宏观断口的低倍观察没有发现气孔、渣
由表2的显微组织分析可知,球化不够理想,
孔和缩松等铸造缺陷存在。根据断口特征可推断
石墨球偏大,珠光体数量偏少。力学性能中的强为多源疲劳断裂,一般与应力过大或者某种原因
度和伸长率多数在工艺要求以上:生产常规检验引起的应力集中有关,从其80%断口呈疲劳断面
发现,硬度般居于工艺要求范国的中下限,也看,说明应力不大,从源处明显应力集中看,可
有的低于240HBW,而曲轴本体硬度测试结果普
能是应力集中起主导作用2。在电镜扫描观察中
遍在220~250HIBW之间,达不到工艺要求,只有
发现源区石墨较多,有球状石墨,较多的是片状
个别接近要求下限
石墨,高倍观察发现断口大部分呈疲劳断口形
曲轴断裂原因分析
态,小部分呈撕裂切变断口形态。综上所述,从
大量统计分析表明,曲轴的破坏一般发生在断口的低倍和高倍观察中,可以认为是应力集中
应力集中较大的过渡圆角处。在正常情况下,弯引起多处断裂源,接着产生疲劳断裂,最后是剩
曲载荷是造成曲轴各圆角部分破环的主要原因,
余部分发生撕裂,致使曲轴全部断裂
为了提高曲轴的可靠性,必须降低圆角处的应力
3.3内在质量(铸造因素)分析
值
发动机(或汽车)在运转中,主轴颈受力不
1应力分析
平衡,产生弯曲应力,在此应力的交变作用下,
曲轴在曲拐平面内弯曲时,主轴颈和连杆颈有可能产生疲劳断裂,对曲轴群体中的某一个来
园角处的应力位于圆弧上的某点,该点的位置可
说,这只是一种可能。究竟该曲轴是否断裂,
用移开角表示,对主轴颈该移开角为46~49°,
还要取决于其内在条件,即曲轴的内在质量和由
对于连杆轴颈该移开角为30°~35°。实心曲轴的内在质量形成的抗疲劳能力的大小。当曲轴的
轴颈圆角应力最大值在曲拐的对称平面内。
抗疲劳能力抵御不了弯曲应力的交变作用时,曲
3.2断口分析
轴就要断裂。对于曲轴群体来说断轴是随机发生<