曲轴两大失效模式 曲轴常见失效形式

氮化后的曲轴轴颈表面(未抛光)针对曲轴两大失效模式：轴颈磨损和疲劳断裂，需要对曲轴表面进行强化处理。经表面强化处理后针对曲轴两大失效模式，在硬度、耐磨性及抗疲劳强度等方面有不同程度的提高，从而有效确保曲轴的性能。

曲轴是内燃机中承受冲击载荷、传递动力的关键零件，在内燃机五大件中是难以确保加工质量的零件。由于曲轴工况条件恶劣，因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。若其中任何一个环节没有确保质量，即可严重影响曲轴的寿命和整机的可靠性。

曲轴材质目前主要分两类：一类是锻钢，另一类是球墨铸铁。采用铸造方法可获得较为理想的结构形状，有利于曲轴的轻量化设计，且加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。另外，球墨铸铁的切削性能良好，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性，而且球铁中的内摩擦所耗功比钢大，减小了工作时的扭转振动的振幅和应力，应力集中也没有刚质曲轴敏感，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到广泛应用。对于160 kW以上的大功率曲轴，则优先采用锻钢曲轴。

无论是锻钢曲轴还是球墨铸铁曲轴，一般都必须实施表面强化处理工艺，其目的在于针对曲轴的两大失效模式：轴颈磨损和疲劳断裂。经表面强化处理后的曲轴，在硬度、耐磨性、抗疲劳强度方面有不同程度的提高。针对不同材质、不同工况条件的曲轴，应采用不同的表面处理技术，才能达到较好的处理效果。

曲轴的氮化包括气体软氮化、离子氮化和盐浴氮化等，适合于各类曲轴，其功能主要是提高曲轴轴颈的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，对提高曲轴疲劳强度方面贡献不大，大约30%左右。

气体软氮化由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。在气体软氮化过程中，渗剂不断分解，产生活性氮原子和活性碳原子，这些活性原子被吸附到曲轴表面并扩散渗入到球墨铸铁中。气体软氮化的温度一般为570℃左右。气体氮化一般不会降低曲轴的表面粗糙度等级，但是由于曲轴出炉冷却过程中同空气接触，从而形成一层很薄的、容易脱落的氧化膜，它将危害轴瓦的正常工作，因此曲轴氮化处理后，重要部位须进行抛光处理。

氮化处理后，曲轴的表面形成结构均匀、具有一定韧性且硬度很高的致密化合物层，它对提高曲轴的耐磨性起着主要作用;另外与化合物结合成紧密的、由表及里并具有相当高硬度的扩散层，同样起着提高耐磨性的作用;同时，氮化层组织本身具有一定润滑减磨作用，使曲轴的摩擦系数大大降低。氮化后曲轴表面致密化合物层化学性能极为稳定，使其具有良好的耐腐蚀性，这是其他表面处理方式无法达到的。图1为氮化后的曲轴轴颈表面。

离子氮化和盐浴氮化等虽然工艺方法与气体软氮化不同，但其功效相似，在硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面有很大提高。

由于曲轴在交变应力作用下工作，轴颈圆角处发生应力疲劳和应变疲劳破坏的危险性极大，圆角喷丸技术应需而生，适合于各类曲轴。

曲轴圆角喷丸强化的机理是，用严格控制直径并具有一定强度的丸粒，在高速气流的作用下，使其形成弹丸流并连续向金属表面喷射，使金属表面产生较大的塑性变形，进而形成冷作硬化层。

由于曲轴在加工过程中受到切削力的作用，圆角处应力分布极不均匀，工作中又受到交变应力的作用，因此很容易产生应力腐蚀而使曲轴的疲劳寿命降低。曲轴圆角经喷丸强化后，由于强化层内存在很高的残余压应力，使曲轴在工作中抵御了拉应力的扩展，从而弥补了机械加工中曲轴圆角表面应力分布不均匀的缺陷，改善了曲轴圆角表面应力状态。从组织机构来看，由于受到高速弹丸流的锤击，圆角表面的金属晶格发生了强烈的扭曲，产生了强化层。由于强化层具有密度极高的位错，它对晶格因受拉力的作用而产生沿晶界的滑移有阻止作用;同时，在交变应力或温度的作用下，位错逐渐地并形成多边形结构后，使强化层内形成更加微小的晶粒。这种变化有效抑制了应力腐蚀，延长了疲劳寿命。

曲轴经圆角喷丸处理后能提高疲劳强度的20%～40%，对其他性能无提高功效，又因喷丸时须保护轴颈表面，故采用较少。