20CrMnTi钢凸轮轴表面磨损失效分析

    单体泵凸轮轴也叫供油凸轮轴，它是柴油机供油系统的主要驱动部件，其作用是通过外形轮廓曲线准确驱动电控单体泵完成定时喷油。在此过程中，单体泵供油压力和转速的不断变化使凸轮轴一直在重载和高频下工作，处于复杂的应力状态，所以要求其具有足够的疲劳强度、冲击韧性、表面硬度以及耐磨性能。

    笔者所在单位所使用的凸轮轴为外协厂家生产，材料为20CrMnTi钢，其工艺流程为锻造成型→正火→渗碳→高温回火→淬火回火→时效→磨削加工→磁力探伤。在装机后进行磨合试验过程中，仅运行约2h 便出现凸轮轴轴颈表面磨损剥落现象。为了查明凸轮轴异常磨损的原因，防止同类事故的再次发生，笔者对效截面较小的零件来说，容易整体淬透，内应力过大，因此适当降低C、Cr等元素的含量，以降低淬透性。

    通过调整工艺参数和钢材的化学成分，此轴及类似的锥齿轮轴再也没有出现过开裂的现象。18CrNiMo7-6钢淬透性极高，适用于重载齿轮，在实际选材中应注意适当调整其合金元素含量，热处理冷却工艺应注意采用较慢的冷却速度，否则其高淬透性会带来淬火开裂的不良后果。

宏观检验

    失效凸轮轴的宏观形貌见图，磨损剥落发生于第一轴颈表面整个圆周范围，并呈周向切削沟槽特征，沟槽宽度约0.75 mm。肉眼观察可见沟槽内有较多不均勻分布的黄色异质颗粒，这是凸轮轴衬套与凸轮轴之间异质磨粒参与磨削，而导致的铜衬套金属转移的结果。在对磨损剥落部位线切割取样后，测定其磨损剥落深度为0.85 mm。

力学性能测试

    在靠近凸轮轴的失效部位取样，按GB/T 230. 1一 2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法》 和GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》，对其进行硬度和硬化层深度测试，可见所测3项力学性能指标均满足技术要求。

    按照GB/T 13298—1999《金属显微组织检验方法》 标准制备样品，根据JB/T 6141. 3—1992《重载齿轮渗 碳金相检验》标准对其显微组织进行检验评级。凸轮轴不同部位的显微组织，可见磨损处试样的表层存在一月牙形白亮层，其上分布有明显的裂纹及剥落坑;将白亮层在高倍率下观察，可知其组织为淬火马氏体+少量残留奥氏体。次表层为索氏体和托氏体的混合组织 。磨损处试样的心部组织未见异常，正常处试样的心部组织同样未见异常。 磨损处试样存在异常淬火组织;而正常处试样表层组织中存在大量的块、网状碳化物，级低倍率下网状碳化物更加明显

显微硬度测试

    显微硬度测试是揭示硬化层分布状态和组织变化的最直接有效的手段。为轴颈表层磨损处和正常处的表面显微硬度分布。轴颈磨损处试样的表层硬度虽比正常处高，但其次表层显微硬度显著下降。结合金相组织判断，其表层出现异常淬火马氏体，导致硬度比正常的回火马氏体偏高，而其次表层受表层热传导的影响，相当于进行了一次中温、高温回火，并形成了硬度较低的回火索氏体及托氏体的混合组织，故显微硬度值明显偏低。

综合分析与讨论

    根据以上金相组织和显微硬度分析结果，确定月牙形白亮层为二次淬火层，由此说明轴颈处经历了异常淬火。再结合凸轮轴锻件的加工工艺，初步判定其为产生于磨削加工过程的磨削淬火烧伤。工件产生磨削淬火烧伤通常受两方面因素影响，一是热处理后工件表层组织形貌及分布状况，二是磨削加工工艺的完善程度。

    首先从热处理组织方面看，由金相检验结果可知， 表层组织中存在评级为5级的块状及网状碳化物。其产生原因是在渗碳过程中，表层碳浓度过高，表面吸附碳的速度大于扩散速度，来不及扩散的碳原子便在表层以块状的形态堆积分布。另一种原因是渗碳后冷却速度太低，原本溶人奥氏体的碳原子逐渐向晶界扩散，最终以网状形式沿晶界析出。这种网状碳化物的存在，因其脆性极大，与基体间的界面结合力很弱，对基体的割裂作用明显，所以极易造成材料脆化，从而加大磨削或使用过程中沿晶脆性剥落的倾向。再则，因其硬度很高，易使磨削过程中出现局部过热而产生磨削烧伤。因此轴颈组织中块状、网状碳化物的存在，为凸轮轴的早期磨损失效埋下了隐患。

    其次从磨削加工方面看，磨削过程主要表现为力和热的共同作用。由于磨削进给量、磨削速度、冷却情况以及砂轮的锋利程度等因素的影响，在散热不良的情况下，磨削区瞬间温度可达1000℃，使工件表面温度超过相变温度Aci而再次发生奥氏体化，随后在冷却液的作用下快速冷却，最终形成一层很薄的二次淬火马氏体，这种强度低、脆性大的相，会严重降低材料的耐磨性能和疲劳强度，在外力作用下极易造成裂纹和脆性剥落。表层白亮层中的裂纹及剥落坑就是最直接有力的证据，所以说磨削二次淬火马氏体是凸轮轴产生磨损失效的诱因。