針（zhēn）對曲軸兩（liǎng）大失效（xiào）模式:軸頸磨損和疲勞斷裂,需要對曲軸表麵（miàn）進行強化處理.經表麵強化（huà）處理後的曲軸,在硬度,耐磨性及抗疲勞強度等方麵有不同程度的提高,從而有效保證曲（qǔ）軸的性能.

      曲軸是內燃機（jī）中承受衝擊載荷、傳遞動（dòng）力的關鍵零件，在內燃機五大件中是最難以（yǐ）保證加工質（zhì）量的零件。由於曲軸工（gōng）況條件（jiàn）惡（è）劣，因此（cǐ）對曲軸的材質、毛坯加工技術、精度、表麵（miàn）粗糙度、熱處理和（hé）表麵（miàn）強化（huà）、動（dòng）平衡等要求都十分嚴格。若其中任何一個環節沒有保證質（zhì）量，即可嚴重影響曲軸的壽命和整機的可靠性。

      曲軸材質目（mù）前主要分兩類：一類是鍛鋼，另（lìng）一類是（shì）球墨鑄鐵。采用鑄造方（fāng）法可獲得較為理想的（de）結構形狀，有利於（yú）曲軸的輕量化（huà）設計，且加工餘量隨鑄（zhù）造工藝水（shuǐ）平的提高而（ér）減小。另（lìng）外，球墨鑄鐵的切削性能良好，並且和鋼質曲軸一樣可以進行各種熱處理和表麵強（qiáng）化處理來提（tí）高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性，而且球鐵中的內（nèi）摩擦（cā）所耗功比鋼大，減小了工作時的扭轉振動的振幅和（hé）應力，應力（lì）集中（zhōng）也沒有剛質曲軸敏感，所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得到廣泛應用。對於（yú）160 kW以上（shàng）的大功率曲軸，則優先采用鍛鋼曲軸。

      無論是（shì）鍛鋼曲軸還是球墨鑄鐵曲軸，一般都必須實施表麵強化處理工藝，其目的在於針對曲軸的兩大失效模式：軸頸磨損和疲勞斷裂。經（jīng）表麵強化處理後的曲軸，在硬度、耐磨性、抗疲勞強度方麵（miàn）有不同程度的提高。針對不同材質、不同工況條件的曲軸，應采用不同的表麵處理技術，才能達到較好的處理效果。

      曲（qǔ）軸表（biǎo）麵處理方法較多，但（dàn）歸納起來可以分為以下幾種：

      1．氮化處理

      曲（qǔ）軸的氮化包括氣體軟氮化、離子氮化和鹽浴氮化等，適合於各類曲（qǔ）軸，其功能主要是提高曲軸軸頸的硬（yìng）度、耐磨性和耐腐蝕（shí）性，對提高曲軸（zhóu）疲勞強度方麵貢獻不大，大（dà）約30%左右。

      氣體軟氮化由分解、吸收和擴散三（sān）個基本過程組成。在氣體軟（ruǎn）氮（dàn）化過程中，滲劑不斷（duàn）分解，產生（shēng）活性氮原子和活（huó）性碳原子，這些（xiē）活性原子被吸附到曲軸表麵並擴散滲入到（dào）球墨鑄（zhù）鐵中。氣體軟氮化的（de）溫度一般（bān）為570℃左（zuǒ）右。氣體氮化一般不會降低曲（qǔ）軸的表麵粗糙度等（děng）級，但是由於曲軸（zhóu）出爐冷卻過程中同空氣接觸，從而形成一層很薄的、容易脫落的氧化膜，它（tā）將危害軸瓦的正常工作，因此曲軸氮化處理後，重（chóng）要部位（wèi）須進行（háng）拋（pāo）光處理。

      氮化處理後，曲軸的（de）表（biǎo）麵形成（chéng）結構均勻、具有一定韌性（xìng）且硬度很高的致密化合物層，它對提（tí）高（gāo）曲（qǔ）軸的耐（nài）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（bìng）具有相當高硬（yìng）度（dù）的擴散層，同樣起著提高耐磨性的作（zuò）用；同時，氮（dàn）化層組織本身具有一定潤滑減磨作用，使曲軸的摩擦係數大大降低。氮化後曲軸表麵致（zhì）密化合物層化學（xué）性能極為穩定，使其具有良（liáng）好的耐腐蝕性，這是其他表（biǎo）麵處理方式無法（fǎ）達（dá）到的。圖1為（wéi）氮化後的曲（qǔ）軸軸（zhóu）頸表麵。

      離（lí）子氮化和鹽浴氮化等雖然工藝方法與氣體軟氮化不同，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（wán）

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

      曲軸（zhóu）圓角（jiǎo）噴丸強化的機理是，用嚴（yán）格控（kòng）製直徑並具有（yǒu）一（yī）定強度的丸（wán）粒，在高速氣（qì）流的作用下，使其（qí）形成彈丸流並連續向金屬表麵噴射，使金屬表麵產（chǎn）生（shēng）較大的（de）塑性變形，進而形成冷（lěng）作硬化層。

      由於曲軸在加工（gōng）過（guò）程中受（shòu）到切削力的（de）作用，圓角處應力分布極不均勻，工作（zuò）中又（yòu）受到交變應（yīng）力的作用，因此很容易產生應力腐蝕而使曲軸的疲勞壽命降低（dī）。曲軸圓角經噴丸強化後，由於（yú）強化（huà）層（céng）內存在很（hěn）高的殘餘壓應力，使曲軸在工作中抵禦了拉應力的擴展，從而彌補了機械加工中（zhōng）曲軸圓角表麵應力分布不均勻的缺陷，改（gǎi）善（shàn）了曲軸圓角表麵應力狀態。從組織機構來看，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（qǔ），產生了強化層。由於強化層具有密度極高的位錯，它對晶格因受拉力的作用而產生沿（yán）晶界的滑移有阻止作用；同時，在（zài）交變（biàn）應力或溫度的作用下，位錯逐漸地並（bìng）形成多邊形結（jié）構後，使強化層內形成更（gèng）加微小的晶粒。這種變化有效抑製了應力腐蝕（shí），延長了疲勞壽命（mìng）。

      曲軸經圓（yuán）角噴丸處（chù）理後能提高（gāo）疲勞強度的（de）20%～40%，對其（qí）他性能無提高功效，又因噴丸時須保護軸（zhóu）頸表麵，故采用較（jiào）少。

      3．軸頸淬火（含圓角淬火）

      曲軸（zhóu）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（qǔ）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（wēn）一定時（shí）間，使基（jī）體組織轉變為均勻的奧氏體，然後在淬（cuì）火液中快速（sù）冷卻，得（dé）到馬氏體組織。

      （1）淬火溫（wēn）度 根據球鐵（tiě）的（de）化學成分和（hé）原始組織來選擇。如含矽量在2%～3%時，淬（cuì）火溫度取850～900℃為宜（yí）。含矽（guī）量高，取上（shàng）限，反之取下限。過高的淬火溫度，將使馬氏（shì）體針變粗並增（zēng）加殘餘奧氏體量，使機械性能變壞，尤其韌性顯著下（xià）降。因此，在保證奧氏體化的前提下，應盡量采（cǎi）用較低的淬火溫度。

      （2）保溫時間（jiān） 為了使一部（bù）分石墨碳在淬火加熱時融（róng）入奧氏體，必（bì）須有一定的保溫時間（jiān），但（dàn）保溫時間太長會導致奧氏體晶粒粗化。因此，保溫時間在能保證奧氏體為碳（tàn）所飽和的原則下，愈（yù）短愈好。此外，原始（shǐ）組織對保溫時間有較大影響。原始組織為鐵素體（tǐ）基體者，保溫時間應適當延長。

      （3）回火 球鐵（tiě）淬火後的基體組織（zhī）為馬氏體+少量殘餘奧氏體，硬度可達58～60 HRC。淬火（huǒ）組（zǔ）織不穩定，內應力很大（dà），強（qiáng）度低，脆性，因此必須在4 h內立即回火。

      軸頸淬火（含）在鍛鋼曲軸中應用比較普遍，它是提高鋼曲軸硬（yìng）度、耐磨性和疲勞強度（dù）的最有效手段之一，目前已實現了自（zì）動化加（jiā）工。該強化方式應用（yòng）於球鐵曲軸時，能提高疲勞強度的20%，而應用於鋼軸時（shí），則能提高100%以上（shàng），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圖。

      4．滾（gǔn）磨光整

      滾（gǔn）磨光整是指零（líng）件在獲得規定的尺寸精度、幾何精度之後，那些旨在提高零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（jì）術。根據顆粒（lì）狀磨料（liào）的大小，可分為毛坯表麵光整加工技術和精密表麵光整加工技術。

      該技術可簡要概括為：由顆粒狀磨料（liào）和多（duō）功（gōng）能磨液以及水組成磨具，磨具在料箱（xiāng）中做複雜的自由運動，將工件沉沒於磨具之中並強製其運動（dòng），工件（jiàn）和磨具之間以一定的相對速度和（hé）作用力發生摩（mó）擦、擠壓、刻劃和微量切削，以達到零件表麵（miàn）質量的提高，具體效果和特點包括：

      （1）能較全麵徹底地去（qù）除毛刺、鈍化尖角銳邊（biān），對於複雜形狀及大批量生產的零件效果尤（yóu）佳。

      （2）粗（cū）糙度的數值可（kě）在原來的基礎上通過光整加工提高1個等級。

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

      （4）光整加工表麵的紋理呈現非（fēi）連續無（wú）方向（xiàng）麻點細粒狀P形紋理，更（gèng）利於儲油提高抗磨性。

      （5）能去除手工（gōng）無法去除的鏽蝕、氧化（huà）層和改善（shàn）缺（quē）陷，使表麵光亮奪目手感光滑柔和。

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

      （7）提高零件的清潔度，降低數（shù）值。

      （8）光整加工具有零件整（zhěng）體性加工的（de）特點（diǎn），即將零件沉沒於磨具之中，對各（gè）表麵（miàn）不分工序，同時加工。

      綜合上述特點，光整加工可（kě）改善零件的（de）裝配性，提高耐腐蝕性、抗磨性和疲勞強度，從而提高了曲軸的可靠性和使用壽（shòu）命。圖3為滾磨光整後的曲軸表麵。

      5．圓角滾壓

      曲軸的圓角滾壓是利用滾輪的（de）壓力作（zuò）用，在曲軸（zhóu）的主軸頸和連杆頸過渡圓角處形（xíng）成一條滾壓塑性變（biàn）形帶，這條塑性變形帶具有以下特點：

      （1）產生殘餘壓（yā）應力，可與曲（qǔ）軸（zhóu）在工作時的拉應力抵（dǐ）消或部分抵（dǐ）消，從而提高曲軸的（de）疲勞（láo）強度。

      （2）硬（yìng）度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層，使曲軸的機械強度和疲勞強度得到（dào）提高。

      （3）改善表麵粗糙度。圓角（jiǎo）滾壓（yā）可使曲軸圓角表麵粗糙度達到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。

      根據統計資料：球鐵曲軸經圓角滾（gǔn）壓後壽（shòu）命可（kě）提高70%～150%，國外的數據顯示可達到200%以上。由此可見，采用圓角滾壓強化工藝，可使（shǐ）大（dà）功率發動機曲軸采用球鐵製造，從（cóng）而代替鍛鋼曲軸，節約加工成本和材料成本。圖4為圓角滾壓後的曲軸軸頸圓角形態。

      結語

      曲軸表（biǎo）麵強（qiáng）化處理方式較多，一般有氮化處（chù）理、圓角噴丸、淬火處理、滾（gǔn）磨光整（zhěng）和圓角滾壓等5種處理方式（shì）。目前，應用較多的是複合強化工藝（yì），一般有兩種：氮化加圓角滾壓工藝和（hé）淬火加圓角滾壓工藝。