球铁凸轮轴脆断原因分析

参考文献 ［１］中 国 机 械 工 程 学 会 铸 造 专 业 学 会．铸 造 手 册·铸 造 工 艺 卷
［Ｍ］．北京： 机械工业出版社， ２０００． ［２］安 阁 英．高 级 铸 造 工 工 艺 学［Ｍ］．北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ，
１９９２． ［３］ 彭春生．ＤＦ＿１１ 机车空心轴套铸造裂纹原因浅析及改进
为避免凸轮轴脆断， 首先必须从原材料抓起， 杜 绝用高 Ｐ 生铁来生产球墨铸铁。在生产条件下， ｗ （ Ｐ） 量一般控制在 ０．０６％～０．０８％［２］。有人认为， ｗ（ Ｐ） 量 高时， 铁液流动性提高， 球墨的圆整度较好。但另一 方面， Ｐ 高容易形成显微缩松， 因此必须加以限制。 若磷共晶含量（ 质量分数） 低于 ２％时， 可采用高温正 火工艺处理， 使其弥散分布在基体金属中， 不致于在 晶粒边界富集磷化物， 从而保持基体金属的连续性。
（ ６） ： ３７～３９．
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措施［Ｊ］． 机车车辆工艺．２００２， （ ２） ． ［４］孙代全．大型复杂均壁薄壁铸件的热裂 与 控 制［Ｊ］．铸 造 技
术．１９９８， （ ６） ．
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性增大。本文所研究的是第三种断裂案例。 从现场调查情况分析， 断裂部位发生在小头端
第一个桃尖圆柱面处。粗加工时， 切削速度及进刀量 均按照正常的机加工工艺操作， 却连续发生多起切 削断裂事故。为此， 我们在现场作了一些试验， 将未 加工的凸轮轴毛坯放在手上离地面一米高处， 然后 松开双手让其平衡落地， 竟发现多根凸轮轴断裂。从 凸轮轴断裂情况分析， 断面属于正断， 象刀切割一样 平齐， 初步判断为脆性断裂。
表 １ 能谱成分定量分析结果 Ｔａｂ．１ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｏ ａｎａｌｙｓｉｓ
元素
Ｆｅ Ｆｅ Ｍｎ Ｐ
Ｓ
断口 原子分数（ ％） ９０．３９ ５．９６ ０．８０ ２．０４ ０．８１ 基体 质量分数（ ％） ９４．３７ ３．１１ ０．８２ １．２２ ０．４８
２．４ 硬度检测 按 图 纸 设 计 要 求 ， 正 火 后 硬 度 应 为 ２２９～３０２
凸轮轴断裂形貌见图 １。从凸轮轴的断裂部位 观察， 轴的外观未见撞击痕迹， 也没有发现变形， 表 明断裂是在切削加工过程中形成的。图 ２ 为其宏观 断口形貌， 晶粒较细密， 色泽呈银灰色。断口表面受 到轻度油迹污染， 其宏观断口形貌清晰可辨。断口为 正断类型， 属于脆性断裂。
图 ３ 准解理断口 Ｆｉｇ．３ Ｑｕａｓｉ ｃｌｅａｖａｇｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ
ＨＢ。实测断轴表面硬度为 ３２８ ＨＢ， 表明硬度值略有 偏高。
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灰
Ｇｒａｙ ａｎｄ Ｎｏｄｕｌａｒ Ｉｒｏｎｓ
铸
铁
及
球
墨
铸
铁
察， 石墨形态 为球状， 并伴随有微量显微缩松（ 图 ５） 。球化级别为 １ 级， 球径大小为 ５ 级。经 ４％硝酸酒精溶液腐蚀后， 基体组织为珠光体 ９７％， 未见铁素体， 其余为磷共晶
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（ ２） 改进浇注系统
而将浇注温度暂定为 １ ３００～１ ３２０ ℃。
由于 Ｚ 字形横浇道阻碍铸件收缩， 将横浇道改
为 Ｕ 字型（ 见图 ４） ， 使横浇道远离耳板， 同时将耳板
５ 结论
上部放置的冒口尺寸增大， 减缓耳板的凝固。
灰
Ｇｒａｙ ａｎｄ Ｎｏｄｕｌａｒ Ｉｒｏｎｓ
铸
铁
及
球
墨
铸
铁
球铁凸轮轴脆断原因分析
张盛霞 １ ， 邱世洵 ２
（ １．安徽建筑工业学院 材料科学与工程系，安徽 合肥 ２３００２２； ２．安徽省机械科学研究所，安徽 合肥 ２３００２２）
摘要： 利用扫描电镜及能谱仪等现代测试仪器， 对球铁凸轮轴脆断原因进行了综合分析。结果表明， 其脆断原
因系材料本身的 ｗ（Ｐ）量超标所致。其次是因其珠光体量过高， 导致材料的疲劳强度下降而致脆。
关键词： 凸轮轴； 脆断； 磷共晶； 珠光体
中图分类号： ＴＧ２５０．６
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００３－ ８３４５（ ２００６） ０４－ ００６４－ ０３
Ｂｒ ｅａｋｉｎｇ Ｒｅａｓｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｉｒ ｏｎ Ｃａｍｓｈａｆｔ
正火处理时， 珠光体数量应控制在 ８０％左右， 可 减少其组织应力。同时还可避免球墨边缘微裂纹的 扩展， 并提高凸轮轴的抗疲劳强度和耐磨性能。
另外， 还有一个值得注意的问题， 也是生产中较 易遇到的： 即凸轮轴在搬运或机械加工过程中， 受到 碰 撞 ， 虽 然 没 有 断 裂 ， 但 已 被 “碰 伤 ”， 出 现 了 微 观 裂 纹。这种碰伤的凸轮轴， 在运行过程中， 则容易造成 过早的疲劳断裂。
综上所述， 导致凸轮轴脆断的直接原因是由于 铸件 ｗ（ Ｐ） 量过高， 以磷共晶的形式分布在晶 团 界 面 上， 破坏了金属基体的连续性， 增加其脆性。另一方 面， 珠光体数量高于 ９０％以上时， 导 致凸轮轴的疲劳 强度大幅度下降。在机械加工过程中， 由于组织应力 及机加工应力的叠加， 导致凸轮轴断裂。
（ １） 浇注系统不合理和铸件壁厚不均匀是使焦
炉炉门框产生铸造裂纹的主要因素。
（ ２） 降 低 浇 注 温 度 、改 进 浇 注 系 统 、改 进 耳 板 处
结构并在耳板下部安放内冷铁可以明显减少炉门框
的铸造裂纹。
图 ４ 改进后的浇注系统 Ｆｉｇ．４ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
（ ３） 降低浇注温度 将浇注温度降为 １ ３００～１ ３２０ ℃， 降低金属液的 凝固速度。ＧＧ２５ 的 ｗ（Ｃ）量较高（３．２％～３．５％），流动性 较好，浇注温度还可以降低一些，但考虑到一包铁液 要浇注 ２～３ 件炉门框， 为 防 止 浇 注 后 期 因 铁 液 浇 注 温度过低而造成铸件轮廓不清晰、浇不足等现 象， 因
２ 断口分析 ２．１ 化学成分分析
从 凸 轮 轴 断 口 上 钻 孔 取 样 分 析 ， 结 果 为 ： ｗ（ Ｃ） ３．４８％， ｗ（ Ｓｉ） ２．４２％， ｗ（ Ｓ） ０．０３２％， ｗ（ Ｍｎ） ０．５１％ ， ｗ （ Ｐ） ０．０９４％， ｗ（ ＲＥ） ０．０３８％， ｗ（ Ｍｇ） ０．０３０％。 根 据 凸 轮轴的技术要求， ｗ（ Ｐ） 明显超标。 ２．２ 宏观断口分析
图 １ 凸轮轴断裂形貌 Ｆｉｇ．１ Ｂｒｅａｋｉｎｇ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅａｍｓｈａｆｔ
图 ４ 解理断口 Ｆｉｇ．４ Ｃｌｅａｖａｇｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ
图 ２ 凸轮轴宏观断口形貌 Ｆｉｇ．２ Ｍａｃｒｏｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｍｓｈａｆｔ
２．３ 微观断口分析 在 ＡＳＭ－ ＳＸ 扫描电镜下观察， 断口为准解理花
图 ５ 球状石墨＋微量缩松 １００× Ｆｉｇ．５ Ｓ．Ｇ．＋ｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ １００×
图 ６ 珠光体＋磷共晶＋球状石墨 ４００× ４％硝 酸 酒 精 溶 液 腐 蚀
Ｆｉｇ．６ Ｐｅａｒｌｉｔｅ＋Ｐｅｕｔｅｃｔｉｃｔ＋Ｓ．Ｇ． ４００×
（ 图 ６） ； 经 ４００ 倍 观 察 ， 一 元 磷 共 晶 呈 块 状 ； 二 元 磷 共晶呈棱角状， 其中一棱角象老鼠尾巴形状向基体 组织 延 伸 （ 图 ６、７） ， 形 成 穿 晶 断 裂 。 由 此 表 明 ， 二 元 磷共晶对基体金属危害极大。
Ｇｒａｙ ａｎｄ Ｎｏｄｕｌａｒ Ｉｒｏｎｓ
灰
铸
铁
及
球
墨
铸
铁
样＋球状石墨（ 图 ３） ； 进一步观察为解理花样， 在解
理面上可观察到若干个解理台阶所组成的木纹状花
样与河流花样共存（ 图 ４） ， 属于典型的脆性断口。 经ＴＮ－ ５５００ 能谱仪分析（ 表 １） ， Ｐ 的原子分数（ ％）
为 ２．０４， 质量分数（ ％） 为 １．２２， 其他参数基本正常。
１ 断裂情况调查 球铁凸轮轴的材料牌号为 ＱＴ６００－ ３， 在机械加
收稿日期： ２００６－ ０４－ ０３ 作者简介： 张盛霞（ １９４９－ ） ， 女， 高级实验师， 主要从事材料 方面的教学与实验工作， 联系电话： ０５５１－ ２８６２９７５。
工过程中， 曾多次发生成批断裂事故。断裂原因有如 下三种情况： 第一种情况是由于球化处理时， 球化剂 失效， 导致球化不良而引起断裂； 第二种情况是由于 铸件的渗碳体质量分数 过 高 （ ≥５％） 而 引 起 脆 断 ； 第 三种情况是由于材 料 本 身 的 ｗ （ Ｐ） 量 超 标 ， 高 达 ０．０９％～０．１１％（ 技 术 要 求 ｗ（ Ｐ） ＜０．０６％） ， 使 铸 件 的 脆
金相检查结果表明， 球化级别是符合技术条件 的。而基体组织中的磷共晶含量高于 ２％， 促 使球铁 件的组织应力发生聚变而致脆。这是因为磷共晶分 布在晶团界面上， 起到割裂基体金属的作用， 因此必 须对磷共晶含量加以控制。根据经验， 磷共晶含量≤ １％时， 可避免其脆性。
珠光体含量超过 ８５％， 不符合图纸设计要求。根 据资料［１］介绍， 珠光体量在 ９０％以上时， 可使疲劳强 度 下 降 。不 少 断 轴 都 是 由 于 过 早 疲 劳 所 引 起 的 。我 们 认为， 从安全角度考虑， 凸轮轴正火后的珠光体量原 要求为不得高于 ９０％， 似可推荐在 ７５％～８５％的范 围 内。 ３ 结论与措施
ＺＨＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ ｘｉａ１， ＱＩＵ Ｓｈｉ－ ｘｕｎ２
（１．Ａｎｈｕｉ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ａｎｈｕｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＳＥＭ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｃａｕｓｉｎｇ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｏｆ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｃａｍｓｈａｆｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ Ｐ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｅｅｄｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｍｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｂｒｅａｋｉｎｇ． Ａｎｏｔｈｅｒ ｒｅａｓｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｐｅａｒｌｉｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｏｏ ｈｉｇｈ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｃａｍｓｈａｆｔ；ｆｒａｇｉｌｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｅｕｔｅｃｔｉｃ；ｐｅａｒｌｉｔｅ