灰铸铁凸轮轴表面早期麻点形成原因分析

北京机电研究所(北京　100083)　张志军

摘  要：分析研究了灰铸铁凸轮轴经氩弧重熔工艺处理后，约5000km正常行驶后个别轴局部区域出现早期麻点与部分剥落而失效，结果证明早期失效的原因为氩弧重熔工艺不稳定所致。

关键词：凸轮轴；　氩弧重熔；　麻点

1　前言

凸轮轴是发动机配气机械中的主要零件，它的主要作用是保证气阀按一定的时间开启和关闭。凸轮与气阀挺杆组成一对摩擦副。凸轮轴在工作过程中除受一定的弯曲和扭转载荷外，主要是凸轮部分承受变化的挤压应力以及挺杆的摩擦。凸轮轴的主要损坏形式是凸轮表面因挤压应力的反复作用而造成的麻点或表面剥落现象。所以，要求凸轮轴具有相应的强度和刚度外，还应具有良好的耐接触疲劳和耐磨性能。

近些年来，国内一些汽车厂已相继采用灰铸铁凸轮轴，经氩弧重熔处理，强化凸轮表面，所用整套设备为国外引进。该工艺适用于凸轮间距小的凸轮轴，由于采用铸铁，铸坯方便，成品合格率高，易实现自动化生产。但只有在逐步完善稳定工艺的前提下，该方法才有较好的应用前景。

2　试验材料及工艺

2.1　试验材料

所用材料为进口铸铁，其牌号及化学成分不详，为了进一步了解该材料的综合性能，分别从轴的不同位置切取试样，进行光学金相分析和化学成分化验，试验结果如表1所示。

2.2　氩弧重熔工艺

氩弧重熔是利用钨极氩弧焊，凸轮轴接焊机正极，焊炬接负极，凸轮轴绕轴心转动，焊炬除作横向摆动外，还靠一个精密凸轮靠模保证焊极端部到凸轮表面各点距离不变，凸轮轴转动一圈，即完成一个凸轮轴的重熔处理。

3　结果与讨论

3.1　原材料显微组织

凸轮轴材料的金相组织，基体为珠光体，见图1。其中：石墨分布形状、石墨长度、珠光体数量、碳化物及磷共晶数量等内容，依照国标GB7216—87“灰铸铁金相”检测。表1中的试验结果为每根轴上分别取3个样品进行综合分析评级而得到的。

图1　灰铸铁凸轮轴重溶前的金相组织，珠光体+块片状石墨　×200

3.2　重熔层宏观显示

首先去油清洗，用10%硝酸酒精深腐蚀，肉眼观察重熔处理后硬化层分布情况。观察发现，每根轴的桃形面上，重熔层表面深浅不均匀，呈月牙形分布。个别地方由于工艺调整等问题，出现衔接不良，中间断开现象，见图2，尤其是轴的尖角部位较为明显。

图2　重熔层表面呈月牙形分布　×50                 图3　重熔层表面金相组织　×200

3.3　重熔层显微组织分析

3.3.1　正常组织与性能　

经重熔后的灰铸铁凸轮轴，表面层显微组织由原来的珠光体变成莱氏体组织，见图3。表面重熔层硬度高达660～750HV，硬化层深度约在0.80～1120mm之间。距表面0.1mm处显微硬度为730～750HV，测至0.5mm处，硬度还有660HV，该组织与性能对凸轮轴磨损寿命影响很大。其表层细小、垂直于端面的枝晶状莱氏体组织对提高凸轮轴寿命很有利，能有效地阻止裂纹扩展，因而可获得良好的使用性能。

3.3.2　缺陷组织　

对局部区域出现麻点和部分剥落的凸轮轴取样，对其横截面进行金相观察发现轴的表面未被均匀重熔，麻点剥落处为显微点蚀坑，并伴有裂纹，见图4。整个分析过程中没有发现从亚表面产生的裂纹，失效的凸轮轴的表面裂纹都是从微点蚀坑或大的剥落孔洞中产生并扩展。点蚀坑裂纹源的位置不仅与滑动程度和润滑条件有关，而且还与接触负荷和材料的表面特性有关。接触负荷增大，润滑条件恶化，摩擦系数增大，裂纹源的位置向表面移动。而微点蚀坑像表面缺口一样，裂纹在此易萌生。麻坑附近显微组织与重熔前基本无变化，重熔表面与基体显微硬度大致相等，表面0.1mm处显微硬度约300HV，仅比心部高出30～50HV，如此低的表面硬度，苛刻的使用条件，导致了早期失效。

分析中发现轴的桃形尖部多处未被重熔，宽度约达0.2mm，见图5，个别地方更为严重，这样就导致轴的表面区域形成软带区。另外，轴的重熔区有厚薄不均匀现象，其中厚处深度达1120mm左右，而浅处仅有0.26mm。这说明该工艺方法有欠缺之处，或是重熔设备个别参数调整不当，导致出现上述问题。

图4　麻点剥落处显微点蚀坑　×200                    图5　中间重熔区衔接不良　×150

4　建议

根据上述分析提出如下建议：①灰铸铁凸轮轴氩弧重熔表面强化处理国内属新工艺，设备为国外引进，要尽快熟悉和掌握设备本身的特性，摸索与调整各种工艺参数，使设备处于最佳运行状态。②稳定处理工艺，严格质量检验。