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汽車水泵軸承斷了怎么辦?

汽車水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系上的關(guān)鍵部件,其在水泵軸承的一端通過(guò)皮帶輪輸入扭矩,帶動(dòng)另一端的葉輪旋轉(zhuǎn)。為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的大功率、效率高率的發(fā)展要求,對(duì)水泵軸承提出了更高的性能要求。斷裂、腐蝕、剝落和漏脂等是汽車水泵軸承常見(jiàn)的失效模式,其中以斷裂的危害大,因此對(duì)斷裂的失效模式進(jìn)行分析并制定相應(yīng)的預(yù)防措施是十分必要的。
某型號(hào)汽車水泵在車輛運(yùn)行大約200小時(shí)后發(fā)生軸承斷軸問(wèn)題,用戶嚴(yán)重抱怨。該水泵軸承型號(hào)為,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示,斷口發(fā)生在法蘭盤后部的退刀槽處。為了掌握該水泵軸承斷裂的原因,對(duì)失效件進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。


1.斷口分析
斷口形貌如圖2所示,疲勞裂紋擴(kuò)展臺(tái)階和條紋清晰可見(jiàn),根據(jù)其特征將斷口分為3個(gè)區(qū)域:起裂源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)。通過(guò)肉眼和低倍鏡觀察發(fā)現(xiàn):1區(qū)出現(xiàn)明顯的反復(fù)摩擦痕跡,因此可以斷定此處為疲勞裂紋的起始位置。1區(qū)的下方出現(xiàn)放射狀條紋,而且有明顯的撕裂痕跡,所以該區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。2區(qū)的起始位置存在明顯的撕裂痕跡,之后又沒(méi)有出現(xiàn),這說(shuō)明裂紋在開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)速度很快。隨著裂紋的加深,擴(kuò)展速度不斷減小,后僵持停留一段時(shí)間,在斷口上留下停留痕跡。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界值,軸的剩余截面無(wú)法克服彎扭復(fù)合應(yīng)力時(shí),就造成以剪應(yīng)力為主的瞬時(shí)剪切疲勞破壞,因此3區(qū)存在拉長(zhǎng)的韌窩,且有弧形劃痕。通過(guò)斷口的觀察和分析可知,斷面屬典型的彎扭復(fù)合疲勞斷裂。在開(kāi)始時(shí),裂紋的起裂和擴(kuò)展主要以彎曲應(yīng)力為主,一旦起裂,裂紋擴(kuò)展速度由快變慢,之后進(jìn)入裂紋擴(kuò)展僵持階段,后以剪應(yīng)力為主造成軸的斷裂失效。
2.化學(xué)成分檢驗(yàn)
對(duì)斷軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn),根據(jù)GB/T18254-2002判定化學(xué)成分合格,檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)還有利于形成高硬度的碳化物,進(jìn)一步提高硬度和耐磨性。Si、Mn是常規(guī)元素,有利于固溶強(qiáng)化,同時(shí)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(xì)小均勻,從而大大提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度。
3.硬度檢驗(yàn)
水泵軸的熱處理工藝及硬度規(guī)范見(jiàn)表2,熱處理設(shè)備采用的是網(wǎng)帶爐。經(jīng)測(cè)試斷軸的硬度為62HRC,符合規(guī)范要求。
GCr15的Ac1、Ac3分別是760℃和900℃,因此淬火溫度定為840±10℃,回火溫度根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求確定為160℃。關(guān)于淬火回火保溫時(shí)間,和加熱爐功率、裝爐量以及零件有x壁厚等相關(guān),通常保證零件均勻熱透為準(zhǔn)。
4.材料金相檢驗(yàn)
用斷軸制備試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),圖3a為心部顯微組織圖片,馬氏體評(píng)定為二級(jí),圖3b為硬化層碳化物顯微組織圖片,淬火、回火碳化物二級(jí)。其組織有黑區(qū)和白區(qū)之分,黑區(qū)是以板條狀馬氏體為主的隱晶馬氏體,白區(qū)是以孿晶馬氏體為主的隱針馬氏體。
由以上結(jié)果來(lái)看,軸顯微組織由細(xì)小結(jié)晶馬氏體,隱晶馬氏體,少量細(xì)小針狀馬氏體,少量殘留碳化物和適量的殘余奧氏體組成,導(dǎo)致心部硬度較高,韌性較低。同時(shí),在實(shí)際應(yīng)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),這些缺陷破壞了材料組織的連續(xù)均勻性,導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)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(fā)展成為裂紋,出現(xiàn)疲勞失效,終斷裂。
5.解決方案
通過(guò)檢驗(yàn)分析確定斷軸屬典型的彎扭復(fù)合疲勞斷裂,其化學(xué)成分、硬度、金相組織以及熱處理工藝等均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。但是,淬火后的軸韌性不足,導(dǎo)致彎扭疲勞強(qiáng)度低。其次,根據(jù)圖1分析顯示,皮帶輪的載荷通過(guò)法蘭盤傳遞到水泵軸承軸,而法蘭盤后部的退刀槽存在不錯(cuò)缺口效應(yīng),是應(yīng)力集中部位,極易出現(xiàn)裂紋源。因此,可以通過(guò)改變水泵軸承熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的解決方案,來(lái)解決水泵軸承斷裂的質(zhì)量問(wèn)題。
5.1熱處理工藝的優(yōu)化
為解決淬火后軸的韌性不足問(wèn)題,采用了表面高頻感應(yīng)淬火工藝,熱處理工藝及硬度規(guī)范見(jiàn)表3。
表面感應(yīng)淬火,加熱快速和短時(shí)間的保溫會(huì)降低奧氏體的碳含量,這樣更容易得到亞結(jié)構(gòu)高密度位錯(cuò)的板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(yīng)淬火表面會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力,外硬內(nèi)韌的零件可以有x地提高抗疲勞強(qiáng)度,從而避免斷軸現(xiàn)象的再次發(fā)生。顯微分析可知淬火得到的組織為隱晶馬氏體及細(xì)小均勻分布的碳化物和少量的殘余奧氏體。保留的少量殘余奧氏體可以松弛應(yīng)力,起緩沖作用,因殘余奧氏體又軟又韌,能部分吸收馬氏體化急劇膨脹能量,緩和相變應(yīng)力,防止裂紋的產(chǎn)生。淬火完畢后及時(shí)進(jìn)行低溫回火,一般三小時(shí)之內(nèi)必須回火,否則內(nèi)應(yīng)力易造成開(kāi)裂。
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明,軸表面硬度為58~63HRC,深度為(0.8~4.0)(550HV),心部硬度不大于179~271HBS為比較理想狀態(tài)。
5.2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
為解決法蘭盤后部退刀槽的不錯(cuò)缺口效應(yīng)并提高軸的機(jī)械強(qiáng)度,將軸的退刀槽移到法蘭盤前端,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖4。優(yōu)化后軸的承載部分直徑變大,并且之前容易形成應(yīng)力集中的溝槽部位不再承受皮帶輪的載荷,結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理,有x地提高了軸的承載能力。
6.結(jié)語(yǔ)
水泵軸承的早期斷裂失效屬典型的疲勞斷裂,通過(guò)對(duì)失效件進(jìn)行檢驗(yàn)和分析,終通過(guò)高頻感應(yīng)淬火熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的方案,有x地提高了軸的抗疲勞強(qiáng)度和承載能力,從而避免了水泵軸承斷軸現(xiàn)象的再次發(fā)生。同時(shí)感應(yīng)淬火具有加熱均勻、變形小、質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì),是普通淬火處理無(wú)法比擬的。