汽車水泵軸承斷裂分析與解決方案

汽車水泵軸承斷裂分析與解決方案　
1.汽車水泵之斷口分析
　　斷口形貌如圖2所示，疲勞裂紋擴展台階和條紋清晰可見，根據其特征将斷口分爲3個區域：起裂源區、疲勞裂紋擴展區、瞬時斷裂區。通過肉眼和低倍鏡觀察發現：1區出現明顯的反複摩擦痕迹
，因此可以斷定此處爲疲勞裂紋的起始位置。1區的下方出現放射狀條紋，而且有明顯的撕裂痕迹，所以該區爲疲勞裂紋擴展區。2區的起始位置存在明顯的撕裂痕迹，之後又沒有出現，這說明裂紋在開始擴展時速度很快。随著裂紋的加深，擴展速度不斷減小，後僵持停留一段時間
，在斷口上留下停留痕迹。當裂紋擴展到臨界值，軸的剩餘截面無法克服彎扭複合應力時，就造成以剪應力爲主的瞬時剪切疲勞破壞，因此3區存在拉長的韌窩，且有弧形劃痕。通過斷口的觀察和分析可知，斷面屬典型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爲主，一旦起裂，裂紋擴展速度由快變慢，之後進入裂紋擴展僵持階段，後以剪應力爲主造成軸的斷裂失效。

　　2.汽車水泵之化學成分檢驗
　　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，檢驗結果見表1。
　　材料中的高碳可以得到高含量的馬氏體從而保證高的硬度及耐磨性，同時還有利於形成高硬度的碳化物，進一步提高硬度和耐磨性。Si、Mn是常規元素，有利於固溶強化，同時可以提高鋼的淬透性。Cr一方面可以提高淬透性，另一方面還可以形成合金滲碳體，使鋼中的碳化物細小均勻，從而大大提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強度。
　　3.汽車水泵之硬度檢驗
　　水泵軸的熱處理工藝及硬度規範見表2，熱處理設備採用的是網帶爐。經測試斷軸的硬度爲62HRC，符合規範要求。
　　GCr15的Ac1、Ac3分别是760℃和900℃，因此淬火溫度定爲840±10℃，回火溫度根據相關規範要求確定爲160℃。關於淬火回火保溫時間
，和加熱爐功率、裝爐量以及零件壁厚等相關，通常保證零件均勻熱透爲準。
　　4.汽車水泵之材料金相檢驗
　　用斷軸制備試樣進行金相檢驗
，圖3a爲心部顯微組織圖片，馬氏體評定爲二級，圖3b爲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，黑區是以闆條狀馬氏體爲主的隐晶馬氏體，白區是以孿晶馬氏體爲主的隐針馬氏體。
　　由以上結果來看，軸顯微組織由細小結晶馬氏體
，隐晶馬氏體
，少量細小針狀馬氏體，少量殘留碳化物和适量的殘餘奧氏體組成，導緻心部硬度較高，韌性較低。同時，在實際應用中，材料總是不可避免存在原始缺陷（如微裂紋、夾渣、偏析等），這些缺陷破壞瞭材料組織的連續均勻性，導緻材料機械強度的降低。在皮帶輪的徑向載荷沖擊作用下，上述缺陷逐步發展成爲裂紋，出現疲勞失效，終斷裂。
　　5.汽車水泵之解決方案
　　通過檢驗分析確定斷軸屬典型的彎扭複合疲勞斷裂，其化學成分、硬度、金相組織以及熱處理工藝等均滿足相關技術規範的要求。但是，淬火後的軸韌性不足，導緻彎扭疲勞強度低。其次，根據圖1分析顯示，皮帶輪的載荷通過法蘭盤傳遞到水泵軸承軸，而法蘭盤後部的退刀槽存在缺口效應，是應力集中部位
，極易出現裂紋源。因此，可以通過改變水泵軸承熱處理工藝和優化泵軸幾何尺寸的解決方案，來解決水泵軸承斷裂的質量問題。
　　5.1汽車水泵之熱處理工藝的優化
　　爲解決淬火後軸的韌性不足問題，採用瞭表面高頻感應淬火工藝，熱處理工藝及硬度規範見表3。
　　表面感應淬火，加熱快速和短時間的保溫會降低奧氏體的碳含量，這樣更容易得到亞結構高密度位錯的闆條狀馬氏體而非針狀馬氏體，所以韌性較之前有所提高。而且感應淬火表面會産生壓應力，外硬内韌的零件可以地提高抗疲勞強度，從而避免斷軸現象的再次發生。顯微分析可知淬火得到的組織爲隐晶馬氏體及細小均勻分布的碳化物和少量的殘餘奧氏體。保留的少量殘餘奧氏體可以松弛應力，起緩沖作用，因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，防止裂紋的産生。淬火完畢後及時進行低溫回火，一般三小時之内必須回火，否則内應力易造成開裂。
　　經試驗測試表明，軸表面硬度爲58～63HRC，深度爲（0.8～4.0）（550HV），心部硬度不大於179～271HBS爲比較理想狀态。
　　5.2汽車水泵之産品結構的優化
　　爲解決法蘭盤後部退刀槽的缺口效應並提高軸的機械強度，将軸的退刀槽移到法蘭盤前端，結構優化後的産品結構如圖4。優化後軸的承載部分直徑變大，並且之前容易形成應力集中的溝槽部位不再承受皮帶輪的載荷，結構更加科學合理，地提高瞭軸的承載能力。
　　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分析，終通過高頻感應淬火熱處理工藝和優化泵軸幾何尺寸的方案，地提高瞭軸的抗疲勞強度和承載能力，從而避免瞭水泵軸承斷軸現象的再次發生。同時感應淬火具有加熱均勻、變形小、質量穩定、自動化程度高、節能環保等優勢，是普通淬火處理無法比拟的。