針（zhēn）對曲軸兩大失效模式:軸頸磨損和疲勞（láo）斷裂,需（xū）要對曲軸表麵進行強化處理.經表麵（miàn）強化處理後的曲軸,在硬度,耐磨（mó）性及抗疲勞強度等方麵有（yǒu）不同程度的提高,從而有效保證曲軸的性能.

      曲（qǔ）軸是內燃機中承（chéng）受衝擊載荷、傳遞動力的關鍵零件，在內燃機五（wǔ）大件中是（shì）最難以保證加工質量的零件。由於曲軸工況條件（jiàn）惡（è）劣，因此對曲軸的材質、毛坯加工（gōng）技術、精度、表麵粗糙（cāo）度、熱（rè）處理和表（biǎo）麵強化、動平衡等要求都十（shí）分嚴（yán）格。若其中任何一個環節沒有保證質量，即可嚴重影響曲軸（zhóu）的壽命和整機（jī）的可（kě）靠性。

      曲軸材質目前主要分兩類：一類是鍛鋼（gāng），另一類是球墨鑄（zhù）鐵。采用鑄造方法可獲得較為理想（xiǎng）的結構形狀，有利於曲軸的輕量（liàng）化設計，且加工餘量隨鑄造工藝水平的提高而減小。另外，球墨鑄鐵的切削性能良（liáng）好，並且和鋼質曲軸一樣可以進（jìn）行各種熱處理和表麵強化處理來提高曲（qǔ）軸的抗（kàng）疲勞強度、硬度（dù）和耐磨性，而且球鐵中的內摩擦（cā）所耗功比鋼大，減小（xiǎo）了工（gōng）作時的扭轉振動的振幅和應力，應力集中也沒有剛質曲軸敏感，所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得（dé）到（dào）廣泛應（yīng）用。對於160 kW以上的大功率曲軸，則優先（xiān）采用鍛鋼曲軸。

      無論是鍛（duàn）鋼曲軸（zhóu）還是球墨鑄（zhù）鐵（tiě）曲軸，一般都必須（xū）實施表麵強化處理工藝，其目的在於針對（duì）曲軸的兩大失效模式：軸頸磨損和疲勞斷裂。經表麵強化處理後的曲軸，在硬度、耐磨性、抗疲勞強度方麵有不同程度的提高。針對不同材質、不同工況（kuàng）條件的曲軸，應采用不同的表麵處理技術，才能（néng）達到較好的處理效（xiào）果。

      曲軸表麵處理方法較多，但歸納（nà）起來可以分為以下幾種：

      1．氮化處理

      曲軸的氮化包括（kuò）氣體軟氮化、離子（zǐ）氮化和鹽浴氮化等，適合於各（gè）類曲軸，其功能主要是提高曲軸軸（zhóu）頸的硬度、耐磨（mó）性和耐腐蝕性，對提高（gāo）曲軸疲（pí）勞強度方麵貢獻不大，大約30%左右。

      氣體軟氮化由分解、吸收和擴散三個基本過程組成。在氣體（tǐ）軟氮化過程中，滲劑不斷分解，產生活性氮原子和活性碳原子，這些活性原子被吸附到曲軸表麵並擴（kuò）散滲入到球墨鑄鐵（tiě）中。氣體軟氮化的（de）溫度一般為570℃左右。氣體氮化（huà）一（yī）般不會降低曲軸的表麵粗糙度等級，但（dàn）是由於曲軸出爐冷卻過（guò）程中同空（kōng）氣接觸，從而形成（chéng）一層很（hěn）薄的、容易脫落的氧化（huà）膜，它將危害軸（zhóu）瓦的正常工作，因（yīn）此曲軸氮化處理後，重要部位須進行拋光處理。

      氮化處理後，曲軸的表麵形成結構均勻、具（jù）有一定韌（rèn）性且硬度很高的致密化合物層（céng），它對提高曲軸（zhóu）的耐磨性起著主要作用；另外與化合物結合成緊密的、由表及裏並具有相當高硬度的擴散層，同樣起著提高耐磨性的作用；同時，氮化層組織本身具有一定潤（rùn）滑減磨（mó）作用，使（shǐ）曲軸的摩擦係數大大降低。氮化（huà）後曲軸表麵致密化合物層化學性能極為穩定，使（shǐ）其具有良好的耐腐蝕（shí）性，這是（shì）其他表麵處理方式無法達到的。圖1為氮化後的曲軸軸頸表（biǎo）麵。

      離子氮化（huà）和（hé）鹽浴氮化等雖然工藝方法與氣體軟氮化不同（tóng），但其功效相似，在硬度、耐磨性和耐腐蝕性方麵有很大提高。

      2．圓角噴丸

      由於曲軸在交變應力作用下工作，軸頸圓角處發生應力（lì）疲勞和應變疲勞破壞的危險性極大，圓角噴丸技術應需而生，適合於各類曲軸。

      曲軸圓角噴丸（wán）強化的機理是，用嚴格控（kòng）製直徑並具有一定強度的丸粒，在高速氣流的作用下，使（shǐ）其形成彈丸流並連續向金屬表麵噴（pēn）射，使（shǐ）金屬表（biǎo）麵產生較大的塑性變形，進而形成冷作硬化層。

      由於曲軸在加工過程中受到切削力的（de）作用，圓角處應力分布（bù）極（jí）不均勻，工作中又受到交變應力的（de）作用，因此很容易產生應力腐蝕而使曲軸的疲（pí）勞壽（shòu）命降低。曲軸圓角經噴丸強化後，由於強化層內存在很高的殘餘壓應（yīng）力，使曲軸在工作中抵（dǐ）禦了拉應力的擴展，從（cóng）而彌（mí）補（bǔ）了機械加工（gōng）中曲軸圓角（jiǎo）表麵應力分布不均勻的缺陷，改善了曲軸圓角表麵應力狀態。從組織機構（gòu）來看，由於受到高速彈丸流的錘擊，圓角表麵的金屬晶格發生了強烈的扭曲，產生了強化層。由於強化層具（jù）有密度極高的位錯，它（tā）對晶格（gé）因受拉力的作用而產生沿晶界的滑移有阻止作（zuò）用；同時，在（zài）交變應力或溫（wēn）度的作用下，位錯逐漸地並形成多邊形結構（gòu）後，使（shǐ）強化層內形成（chéng）更（gèng）加微小的（de）晶粒。這種變化有效抑製了應力腐（fǔ）蝕，延（yán）長了疲勞壽命。

      曲軸經圓角噴丸處理後能提高疲勞強度的20%～40%，對其他性能無提（tí）高功效，又（yòu）因噴丸時（shí）須保護軸頸表麵，故（gù）采用較少。

      3．軸頸淬火（含圓角淬（cuì）火）

      曲軸軸頸淬火是為了增加曲軸軸（zhóu）頸表麵的硬度和耐磨性，並提高曲軸的抗疲勞強度。

      球（qiú）墨鑄鐵淬火過程中基體組織的轉變與鋼基體相同。即將鑄件加熱到Ac以上溫度，保溫一定時間，使基體組織轉變為（wéi）均勻的奧氏體，然後在淬火液中（zhōng）快速冷卻，得到馬氏體組織。

      （1）淬火溫度 根據球鐵的化學成分和原始組織來選擇。如含矽量在2%～3%時，淬火溫度取850～900℃為宜（yí）。含矽量高，取（qǔ）上限，反之取下限。過（guò）高的淬火溫度，將使馬（mǎ）氏體針變粗（cū）並增加殘餘奧氏體量，使機械性能變壞，尤其韌性顯著下降。因此（cǐ），在保證奧（ào）氏體化的（de）前提下，應盡量采（cǎi）用較低的淬火溫度。

      （2）保溫時間（jiān） 為了使一部分石墨碳在淬火加熱時融入奧氏體，必須有一定的保溫時（shí）間，但（dàn）保溫時間太（tài）長會（huì）導致奧氏體晶粒粗化。因（yīn）此，保溫時（shí）間在能保證（zhèng）奧氏體（tǐ）為碳所飽和的原則下，愈短愈好。此外，原始組織對保溫時間有較大影響。原始組（zǔ）織為鐵素體基體者，保溫時間應適當延長。

      （3）回火 球鐵淬火後的基體組織為馬氏體+少量殘餘奧（ào）氏體，硬度可達58～60 HRC。淬火組織不穩定，內應力很大，強度（dù）低，脆性，因此必須（xū）在4 h內立即回火。

      軸頸淬火（含）在（zài）鍛鋼曲軸中應用比較普（pǔ）遍，它是提高鋼曲軸硬度、耐磨性和（hé）疲勞強度的最有效手段之一（yī），目前已實現了自（zì）動化（huà）加工。該強化方式應用於（yú）球鐵曲軸時，能提高疲勞強度（dù）的20%，而應用於鋼（gāng）軸時（shí），則能提高100%以上，故在鋼軸中應用比較普遍。圖2為鍛鋼曲軸軸頸與圓角淬火截麵（miàn）圖。

      4．滾磨光整

      滾磨光整是指（zhǐ）零件（jiàn）在獲得規定的尺寸精（jīng）度（dù）、幾何（hé）精度之後，那些旨在提（tí）高零（líng）件表麵質量為目的的多種加工方法、技術被稱為表麵光整加（jiā）工技術，簡稱光整技術。根據顆（kē）粒狀磨料的大（dà）小，可分為毛坯表麵光整加工技術（shù）和精密表麵光整（zhěng）加工技術。

      該技（jì）術可簡（jiǎn）要概括（kuò）為：由顆粒狀磨料和多功能磨（mó）液以（yǐ）及水組成磨具，磨具在料箱中做複雜（zá）的自由運動，將工件沉沒（méi）於磨具之中並強製其運動（dòng），工件和（hé）磨具之間以一定（dìng）的（de）相（xiàng）對速度和作（zuò）用力發生（shēng）摩擦、擠壓、刻劃和微量切削，以達到零（líng）件表麵質量的提高（gāo），具體效果和特點（diǎn）包括（kuò）：

      （1）能較全麵徹底（dǐ）地（dì）去除毛刺、鈍化尖（jiān）角銳邊，對於複雜形狀及大批量生產的零（líng）件效果尤佳。

      （2）粗糙度的數（shù）值可在原來的基礎上通過光（guāng）整加工提高1個等級。

      （3）可大幅度提高表（biǎo）麵輪廓支承長度率Tp值，提高表麵耐磨性。

      （4）光整加工（gōng）表麵的紋理呈現非連續無方向（xiàng）麻點細粒狀（zhuàng）P形紋理，更利於儲油提（tí）高抗磨性。

      （5）能（néng）去除手工無法（fǎ）去除的鏽蝕、氧化層和改善缺陷，使表麵光亮奪目手感（gǎn）光滑（huá）柔（róu）和。

      （6）光整加工對尺寸隻有微米級的（de）影響（約減（jiǎn）少1～3 mm），不改變前麵工序的尺寸和形位精（jīng）度。

      （7）提（tí）高零件的清潔度，降低數（shù）值（zhí）。

      （8）光整加（jiā）工具有零件整體性加工的特點，即將零件沉沒於磨具之中，對各表麵不分工序，同（tóng）時加（jiā）工。

      綜合上述特點，光（guāng）整加工可改善零件的裝配性，提高耐腐蝕性、抗磨性和疲勞強度，從（cóng）而提高了曲軸的可靠性和使用（yòng）壽命。圖3為滾磨光整後（hòu）的曲軸表麵。

      5．圓角滾壓

      曲軸（zhóu）的圓角滾壓是利用滾（gǔn）輪的壓力作用，在曲軸的（de）主軸頸和連杆頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這（zhè）條塑性變形帶（dài）具有以下特點：

      （1）產生殘餘（yú）壓（yā）應力，可與曲軸在工作時的（de）拉應力抵消或部分抵消，從而提高曲軸（zhóu）的疲勞強度。

      （2）硬度提高。滾壓（yā）使圓角處形成高硬（yìng）度的致密（mì）層（céng），使曲（qǔ）軸的機械（xiè）強度和疲勞強度（dù）得到提高。

      （3）改善表麵粗糙度。圓角滾壓可（kě）使曲軸圓角表麵粗糙度（dù）達到Ra0.2以下，從而大大減小了圓角處的應力集中，提高了疲勞強度。

      根據統計（jì）資料（liào）：球鐵曲軸經圓角滾壓後壽命可（kě）提高70%～150%，國外的數據顯示（shì）可達到200%以（yǐ）上。由此可見，采用圓角滾壓強化工（gōng）藝，可使大功率發動機曲軸（zhóu）采用球鐵製造，從而代（dài）替鍛鋼曲軸，節約加工成（chéng）本和（hé）材料成（chéng）本。圖4為圓角滾壓後的曲軸軸頸圓角形態。

      結語

      曲軸表麵強化處理（lǐ）方式較多（duō），一般有氮化處理、圓角噴丸、淬火處理、滾磨光（guāng）整和圓角滾壓等5種處理方式。目前，應用較多的是複合強化工藝，一（yī）般有兩種：氮化加圓角滾壓工藝和淬火加（jiā）圓角滾壓（yā）工藝。