蓋茨勝地汽車水泵產品（煙台）有限責任公司（山東　264006）　孫國棟　冉秋　朱淑玲

煙台宋和宋科學技（jì）術應用工程有限責任公（gōng）司（山東　264006）　劉愛輝

　　【摘　要】針對汽車水泵軸承發生斷裂（liè）的失效問題，對斷軸的形貌、化學成分（fèn）、硬度及金相等進行了檢驗和分析，表明（míng）斷裂的主要原因是泵軸的強度偏低和退刀槽存（cún）在尖端缺口效應，屬典型（xíng）的疲勞斷裂。提出了改變水泵軸承熱處理工藝和優化泵軸幾何尺寸的（de）解決（jué）方（fāng）案，有效地解決了水泵軸承斷裂的（de）質量問題。

　　關鍵詞：汽車水泵軸承；疲（pí）勞斷裂；感應淬火

　　汽車水泵是發動機冷卻係（xì）上的關鍵（jiàn）部件，其在水（shuǐ）泵軸承的一端通過皮帶輪輸（shū）入扭矩，帶動（dòng）另一端（duān）的葉輪旋轉。為適（shì）應發動機的大功率、高效率的發（fā）展要求，對水泵軸承（chéng）提出了更（gèng）高的性能要求。斷裂、腐蝕、剝落和（hé）漏脂等是（shì）汽車水泵軸承常見的失效模式，其中以斷裂的危（wēi）害Z大，因（yīn）此對斷裂的失效模式進行分析（xī）並製定相應的（de）預防措施是十分必要的。

　　某型號汽車水泵在（zài）車輛運行大約200小時後發（fā）生軸承斷（duàn）軸問題，用戶嚴重抱怨。該水泵軸承型號為（wéi）WR1938148，產品結（jié）構如圖1所示，斷口發生在法（fǎ）蘭盤後（hòu）部的退刀槽處（chù）。為了掌握（wò）該水泵軸承斷裂的原因，對失效件進行了檢驗和分析。

　　1.斷口分析

　　斷口形貌如圖2所示，疲勞裂紋擴展台（tái）階和條紋清晰可見，根（gēn）據其特征將斷口分為3個區域：起裂源區、疲勞裂紋擴展區、瞬（shùn）時斷裂區。通過肉眼和低倍鏡觀（guān）察發現：1區出現明（míng）顯的反複摩擦痕跡，因此（cǐ）可以斷定此處為疲勞裂紋的起始位置。1區的下方出現放（fàng）射狀條紋，而且有明（míng）顯的撕裂痕跡，所（suǒ）以（yǐ）該區為疲勞裂紋擴展區。2區的起始位置存在明顯的撕裂痕跡，之後又沒有出現，這說明裂紋在開始（shǐ）擴展時速度很快。隨著裂（liè）紋的加深，擴展速度不斷減小，Z後僵持停留一段時間，在斷口上留（liú）下停留痕跡。當裂紋擴展到臨界值，軸的剩餘截（jié）麵無（wú）法克服彎扭複合應力時，就造成以剪應力為（wéi）主的瞬時剪切疲勞破壞，因此3區存在拉長的韌窩，且有弧（hú）形（xíng）劃痕。通過斷口的觀察和分析可知，斷麵（miàn）屬（shǔ）典型（xíng）的彎扭複合疲勞斷裂。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（màn），之後（hòu）進入裂紋擴展僵持階段，Z後以剪應（yīng）力為主造（zào）成軸的斷裂失效。

　　2.化學成分檢驗

　　對斷軸取樣進行化學成分檢驗，根據GB/T18254-2002判定化學成分合格，檢驗結（jié）果見（jiàn）表1。

　　材料中的高碳可以得到高含量的馬氏體從而保（bǎo）證高（gāo）的硬度及（jí）耐磨性，同時還有利於形成高硬（yìng）度的碳化物，進一（yī）步提高硬度和耐磨性。Si、Mn是常規（guī）元素，有利（lì）於固溶強化，同時（shí）可以提（tí）高鋼的淬（cuì）透性。Cr一方麵可以提高淬透性，另一方麵（miàn）還可（kě）以形成合金（jīn）滲碳體（tǐ），使鋼中的碳化物細小均勻，從而大大提高鋼的耐磨性（xìng）和接觸疲勞強度。

　　3.硬度檢驗

　　水泵軸的熱處理工（gōng）藝及硬度規範見表2，熱處理設備采用的是網帶爐。經測試斷軸的硬度為62HRC，符合規範要求。

　　GCr15的Ac1、Ac3分別是760℃和900℃，因此淬火溫度定為840±10℃，回火溫度根據相關規範要求確定為160℃。關於淬火回火保溫（wēn）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（zhóu）製備試樣進行金（jīn）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（wéi）硬化層碳化物顯微組織圖片，淬火、回火碳化物二級。其組織有黑區和白區之分，黑區是以板條（tiáo）狀馬氏體為主的隱晶（jīng）馬氏體，白區是（shì）以孿晶馬氏體為主的（de）隱針馬氏體。

　　由以上結果來看，軸（zhóu）顯（xiǎn）微組織（zhī）由細小結晶馬（mǎ）氏體，隱晶馬氏體，少量細小針（zhēn）狀馬氏體，少量殘留碳化物和適量的殘（cán）餘奧氏體組成，導（dǎo）致心部硬（yìng）度較（jiào）高，韌性較（jiào）低。同時，在實際應用（yòng）中，材（cái）料總是不可避免存在原始缺（quē）陷（如微裂紋、夾渣、偏析等），這些缺陷破壞了材料組織的連續均勻性，導致材料機（jī）械強度的降低。在皮帶輪的徑向載荷衝（chōng）擊作用下，上述缺（quē）陷逐步發展成為（wéi）裂紋，出現疲勞失效（xiào），Z終斷裂。

　　5.解決方案

　　通過檢驗分析確定斷軸屬典型的彎扭複合疲勞（láo）斷裂，其化學成分、硬（yìng）度、金相（xiàng）組織以及熱處理工藝等（děng）均滿足相（xiàng）關（guān）技術規範的要求。但（dàn）是，淬火後的軸韌性不（bú）足，導（dǎo）致彎扭疲勞強度低。其（qí）次，根據圖1分析顯示，皮帶輪（lún）的載荷通過法蘭盤傳遞至水泵軸承軸，而法蘭盤後部的退刀槽存在尖端（duān）缺口效應，是應力集中部（bù）位，極易出現裂紋（wén）源。因此，可以通過改變水泵軸承熱處（chù）理工藝和優化泵軸幾何尺寸的解決方案，來解決水（shuǐ）泵軸承（chéng）斷裂（liè）的質量問題。

　　5.1熱處理工藝的優化

　　為解決淬火（huǒ）後軸的韌性不足問題，采用了表麵高頻感（gǎn）應淬火工藝，熱處理工藝及硬度規範見表3。

　　表麵（miàn）感應淬火，加熱快速和（hé）短時間的保溫會降低奧氏（shì）體的碳（tàn）含（hán）量，這樣更容易得（dé）到亞結構高密度位錯的板條狀馬氏體而非（fēi）針狀馬氏體，所以韌性（xìng）較之前有所提高。而且感應淬火（huǒ）表麵會產（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（zhóu）現象的再次發（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（de）碳化物和少量的殘（cán）餘奧氏（shì）體。保留的（de）少量（liàng）殘餘（yú）奧氏體可以鬆弛應力（lì），起緩衝作用，因（yīn）殘餘奧氏體又軟又韌，能部分吸收馬氏體化急劇膨脹能量，緩和相變應力，防止裂紋的產生。淬火完畢後及時進行低溫回火，一般三小時之內必（bì）須回火，否則內應力易造成開裂。

　　經試驗測（cè）試表明，軸表麵硬度為58～63HRC，深度（dù）為（wéi）（0.8～4.0）（550HV），心部硬度不大於179～271HBS為比較理想狀態。

　　5.2產品結構的優化

　　為解決法蘭盤後部退刀槽的尖（jiān）端缺口效應並提高軸的機械強度，將軸的退刀槽（cáo）移至法蘭盤前（qián）端，結構優化後的產（chǎn）品結構（gòu）如圖4。優（yōu）化後軸的承（chéng）載部分直徑變大，並且之（zhī）前容易形成應力集中的溝槽部位不再承（chéng）受皮帶輪的載荷，結構更（gèng）加科學合理，有效地提高了（le）軸的承載能（néng）力。

　　6.結語

　　WR1938148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（hé）分（fèn）析，Z終通過高頻感應淬火熱處（chù）理工（gōng）藝和優化泵軸幾何尺寸的方案，有效（xiào）地提高了（le）軸的抗（kàng）疲勞強度和承載能力，從而避免了水泵軸承斷軸（zhóu）現象的再次發（fā）生。同（tóng）時感應淬火具有加熱均勻、變形小、質（zhì）量穩（wěn）定、自動化程度高、節能（néng）環保等優勢，是普通淬火處理無法比擬的。
 

來源：《金屬加工（gōng）（熱加工（gōng））》2012年13期