汽车水泵轴承断裂分析与解决方案.doc

汽车水泵轴承断裂分析与解决方案 盖茨胜地汽车水泵产品(烟台)有限责任公司 （山东 264006） 孙国栋 冉秋 朱淑玲烟台宋和宋科学技术应用工程有限责任公司 （山东 264006） 刘爱辉【摘要】针对汽车水泵轴承发生断裂的失效问题，对断轴的形貌、化学成分、硬度及金相等进行了检验和分析，表明断裂的主要原因是泵轴的强度偏低和退刀槽存在尖端缺口效应，属典型的疲劳断裂。提出了改变水泵轴承热处理工艺和优化泵轴几何尺寸的解决方案，有效地解决了水泵轴承断裂的质量问题。关键词：汽车水泵轴承；疲劳断裂；感应淬火汽车水泵是发动机冷却系上的关键部件，其在水泵轴承的一端通过皮带轮输入扭矩，带动另一端的叶轮旋转。为适应发动机的大功率、高效率的发展要求，对水泵轴承提出了更高的性能要求。断裂、腐蚀、剥落和漏脂等是汽车水泵轴承常见的失效模式，其中以断裂的危害最大，因此对断裂的失效模式进行分析并制定相应的预防措施是十分必要的。某型号汽车水泵在车辆运行大约200小时后发生轴承断轴问题，用户严重抱怨。该水泵轴承型号为WR1938148，产品结构如图1所示，断口发生在法兰盘后部的退刀槽处。为了掌握该水泵轴承断裂的原因，对失效件进行了检验和分析。1 2 3 4 5 6 图11.皮带轮 2.法兰盘 3.水泵轴承 4.壳体 5.水封 6.叶轮1.断口分析 ( a ) ( b ) 图3 500x浸蚀方法：4硝酸酒精溶液浸蚀断口形貌如图2所示，疲劳裂纹扩展台阶和条纹清晰可见，根据其特征将断口分为3个区域：起裂源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。通过肉眼和低倍镜观察发现：1区出现明显的反复摩擦痕迹，因此可以断定此处为疲劳裂纹的起始位置。1区的下方出现放射状条纹，而且有明显的撕裂痕迹，所以该区为疲劳裂纹扩展区。2区的起始位置存在明显的撕裂痕迹，之后又没有出现，这说明裂纹在开始扩展时速度很快。随着裂纹的加深，扩展速度不断减小，最后僵持停留一段时间，在断口上留下停留痕迹。当裂纹扩展到临界值，轴的剩余截面无法克服弯扭复合应力时，就造成以剪应力为主的瞬时剪切疲劳破坏，因此3区存在拉长的韧窝，且有弧形划痕。通过断口的观察和分析可知，断面属典型的弯扭复合疲劳断裂。在开始时，裂纹的起裂和扩展主要以弯曲应力为主，一旦起裂，裂纹扩展速度由快变慢，之后进入裂纹扩展僵持阶段，最后以剪应力为主造成轴的断裂失效。图21.起裂源区 2.疲劳裂纹扩展区 3.瞬时断裂区1232.化学成分检验对断轴取样进行化学成分检验，根据GB/T 18254-2002判定化学成分合格，检验结果见表1。 表1 化学成分（质量分数） （）项目CSiMnCrMoPSNiCu不大于标准值0.951.050.150.350.250.451.401.650.100.0250.0250.300.25试样1.020.240.361.450.030.0180.0110.060.13材料中的高碳可以得到高含量的马氏体从而保证高的硬度及耐磨性，同时还有利于形成高硬度的碳化物，进一步提高硬度和耐磨性。Si、Mn是常规元素，有利于固溶强化，同时可以提高钢的淬透性。Cr一方面可以提高淬透性，另一方面还可以形成合金渗碳体，使钢中的碳化物细小均匀，从而大大提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。3.硬度检验退刀槽水泵轴的热处理工艺及硬度规范见表2，热处理设备采用的是网带炉。经测试断轴的硬度为62HRC，符合规范要求。表2 水泵轴的热处理工艺及硬度材料热处理工艺硬度/HRC淬火温度/冷却剂回火温度/GCr1584010油1605863GCr15的Ac1、Ac3分别是760和900，因此淬火温度定为84010，回火温度根据相关规范要求确定为160。关于淬火回火保温时间，和加热炉功率、装炉量以及零件有效壁厚等相关，通常保证零件均匀热透为准。4.材料金相检验用断轴制备试样进行金相检验，图3a为心部显微组织图片，马氏体评定为二级，图3b为硬化层碳化物显微组织图片，淬火、回火碳化物二级。其组织有黑区和白区之分，黑区是以板条状马氏体为主的隐晶马氏体，白区是以孪晶马氏体为主的隐针马氏体。由以上结果来看，轴显微组织由细小结晶马氏体，隐晶马氏体，少量细小针状马氏体，少量残留碳化物和适量的残余奥氏体组成，导致心部硬度较高，韧性较低。同时，在实际应用中,材料总是不可避免存在原始缺陷(如微裂纹、夹渣、偏析等),这些缺陷破坏了材料组织的连续均匀性,导致材料机械强度的降低。在皮带轮的径向载荷冲击作用下，上述缺陷逐步发展成为裂纹, 出现疲劳失效，最终断裂。5.解决方案通过检验分析确定断轴属典型的弯扭复合疲劳断裂，其化学成分、硬度、金相组织以及热处理工艺等均满足相关技术规范的要求。但是，淬火后的轴韧性不足，导致弯扭疲劳强度低。其次，根据图1分析显示，皮带轮的载荷通过法兰盘传递至水泵轴承轴，而法兰盘后部的退刀槽存在尖端缺口效应，是应力集中部位，极易出现裂纹源。因此，可以通过改变水泵轴承热处理工艺和优化泵轴几何尺寸的解决方案，来解决水泵轴承断裂的质量问题。5.1 热处理工艺的优化为解决淬火后轴的韧性不足问题，采用了表面高频感应淬火工艺，热处理工艺及硬度规范见表3。表3 水泵轴的高频感应淬火和回火工艺及其硬度淬火工艺回火工艺电压/V频率/KHz温度/时间/S硬度/HRC温度/时间/H硬度/HRC390400228702055.56231401025863表面感应淬火，加热快速和短时间的保温会降低奥氏体的碳含量，这样更容易得到亚结构高密度位错的板条状马氏体而非针状马氏体，所以韧性较之前有所提高。而且感应淬火表面会产生压应力，外硬内韧的零件可以有效地提高抗疲劳强度，从而避免断轴现象的再次发生。显微分析可知淬火得到的组织为隐晶马氏体及细小均匀分布的碳化物和少量的残余奥氏体。保留的少量残余奥氏体可以松弛应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力，防止裂纹的产生。淬火完毕后及时进行低温回火，一般三小时之内必须回火，否则内应力易造成开裂。经试验测试表明，轴表面硬度为5863HRC，深度为（0.84.0 ）（550HV），心部硬度不大于179271HBS为比较理想状态。5.2 产品结构的优化为解决法兰盘后部退刀槽的尖端缺口效应并提高轴的机械强度，将轴的退刀槽移至法兰盘前端，结构优化后的产品结构如图4。优化后轴的承载部分直径变大，并且之前容易形成应力集中的沟槽部位不再承受皮带轮的载荷，结构更加科学合理，有效地提高了轴的承载能力。6.结语WR1938148退刀槽1 2 3 4 5 6图41.皮带轮 2.法兰盘 3.水泵轴承 4.壳体 5.水封 6.叶轮水泵轴承的早期断裂失效属典型的疲劳断裂，通过对失效件进行检验和分析，最终通过高频感应淬火热处理工艺和优化泵轴几何尺寸的方案，有效地提高了轴的抗疲劳强度和承载能力，从而避免了水泵轴承断轴现象的再次发生。同时感应淬火具有加热均匀、变形小、质量稳定、自动化程度高、节能环保等优势，是普通淬火处理无法比拟的。作者简介：孙国栋 山东烟台，机械工程师，长期从事汽车水泵的设计、制造和质量管理工作。电话：18660563133 Email：sungd-yt163.com