铬对凸轮轴三点弯曲断裂载荷的影响

沈保罗，李 莉，岳昌林，高致文，刘大川，王 伟

（成都金顶凸轮轴铸造有限公司，四川郫县 611732）

铬对凸轮轴三点弯曲断裂载荷的影响

沈保罗，李 莉，岳昌林，高致文，刘大川，王 伟

（成都金顶凸轮轴铸造有限公司，四川郫县 611732）

凸轮轴在服役过程中承受弯曲和扭转的复杂交变载荷，凸轮轴异常断裂是严重的失效形式。本文采用Weibull统计分析方法研究了两种（其中一种含0.02%Cr，另一种含0.21%Cr）神龙富康激冷灰铸铁凸轮轴的三点弯曲断裂载荷。结果表明，上述两种凸轮轴三点弯曲断裂载荷的Weibull模量分别为11.4和14.3；其三点弯曲断裂载荷平均值分别为6.5kN和7.0kN；表明含Cr凸轮轴比不含Cr凸轮轴的可靠性更高。作者初步分析了产生上述现象的原因。

凸轮轴；灰铸铁；铬；断裂载荷

1 前言

凸轮轴的主要失效形式是凸轮的早期磨损以及凸轮轴的异常断裂。原第二汽车厂在开发神龙富康激冷灰铸铁凸轮轴的早期曾出现过异常断裂的现象[1]。表征铸铁凸轮轴力学性能的参数较多，如激冷灰铸铁凸轮轴的抗拉强度和硬度。但在实际的服役条件下，凸轮轴经常要承受交变的弯曲和扭转载荷，如何正确评价凸轮轴的使用性能（整体的抗断裂性能，凸轮和轴颈的耐磨性）对于生产厂家和用户来说都是非常重要的。为了保证灰铸铁凸轮轴的抗断裂能力，设计人员多半要求用于制造凸轮轴的合金灰铸铁（直径30mm试棒）的抗拉强度达到250MPa，而对凸轮轴的整体性能未作要求。一般而言，由于铸型的快速冷却作用，灰铸铁凸轮轴的金相组织特点总是：表层石墨更细，心部石墨更粗；因而总是表层抗拉强度较高，而心部抗拉强度较低。考虑到凸轮轴在服役过程中承受载荷的特点是，凸轮轴的心部应力较小而表面的应力较大，凸轮轴的结构特点（凸轮轴为直径粗细不同的杆件且在凸轮与轴颈之间存在应力集中），以及灰铸铁具有表面强度较高和心部强度较低的特点，用毛坯直径30mm试棒的心部强度（一般加工成直径20mm的拉伸试棒用于测定强度）来评价铸铁凸轮轴的抗断裂性能笔者认为不甚合理，而采用凸轮轴的整体弯曲（表面层的应力较高，心部的应力较低）性能来评价凸轮轴的抗断裂性能似乎更好一些。本文则用三点弯曲方法考察两种铬含量不同的神龙富康凸轮轴三点弯曲断裂载荷的大小并用Weibull统计分析方法进行比较。

1951年，Weibull在前人工作的基础上，基于最弱连接理论（即将材料看成许多链节连接而的的链，只要其中有一个链节失效，整个链就失效），提出了著名的Weibull分布模型，其公式见式（1），并指出：该理论适合于所有的脆性材料。

式中：F——失效概率；

σ——随机变量，如强度、断裂韧性等；

σu——位置参数，又称起始参数，表示产品在时间σu之前具有100%的可靠度，失效是从σu之后开始的；

σ0——尺度参数，起缩小或放大σ标尺的作用，但不影响分布的形状；

m——形状参数，即Weibull模量，决定分布密度曲线的基本形状，它表征了材料的均匀性和可靠性，m值越大，材料的均匀性越好，可靠性越高。

当σu＝0时，Weibull模型退化为二参数 Weibull模型，即式（1）变为：

对上式作两次对数变换得：

式（3）变为：

由式（4）可知，X和Y呈线性关系，其中斜率为Weibull模量m。

2 试验方法

2.1 合金熔炼及凸轮轴铸造

熔炼在GW型500kg无芯中频感应电炉中进行，炉衬材料为硅砂。用球墨生铁Q10、废钢、75硅铁、锰铁、铬铁、回炉料和石墨增碳剂等调整化学成分，用德国OBLF光谱分析化学成分，其化学成分见表1。熔炼温度为1600～1620℃，铁液出炉温度为1580～1600℃。用75硅铁合金作孕育剂，在550kg的中间包内进行一次孕育处理并同时加入纯锡。炉前三角试片白口宽度控制在4～4.5mm之间。孕育处理后，铁液转入150kg的浇包进行二次孕育处理，随后浇入壳型之中，浇注温度为1380～1410℃，浇注后约60min打箱。

用日本4610型Olympus光学显微镜观察凸轮轴轴颈的金相组织。

2.2 三点弯曲试验

在WE-500型液压式万能拉伸试验机上测定三点弯曲断裂载荷，凸轮轴支承跨距290mm（图1），十字头加载速度为3kN/s。

图1 神龙富康凸轮轴三点弯曲试验照片

3 试验结果与讨论

神龙富康凸轮轴毛坯见图2。两种铬含量不同的凸轮轴的化学成分见表1。两种凸轮轴的三点弯曲载荷分别见表2和表3。

表1 两种凸轮轴的化学成分（质量分数，%）

表2 S1 100支凸轮轴三点弯曲断裂载荷（kN）

表3 S2 49支凸轮轴三点弯曲断裂载荷（kN）

图3为两种凸轮轴轴颈的金相组织。由图可见，两种凸轮轴轴颈的金相组织没有明显区别，其中石墨都由A+D型组成，基体组织主要为珠光体，铁素体含量约5%左右。

图3 两种凸轮轴金相组织（左未浸蚀，右5%硝酸酒精浸蚀）

分别求出Yi和Xi，采用最小二乘法将各凸轮轴变换后的所有（Yi，Xi）数对进行线性回归分析，拟合成一条直线方程（4），根据直线方程（4），可得到不含Cr和含0.21%Cr的两种神龙富康凸轮轴三点弯曲断裂载荷的Weibull模量分别为11.4和14.3；再根据表2和表3的数据，还可以求得两种凸轮轴的平均三点弯曲断裂载荷分别为6.5kN和7.0kN。

许多研究表明[1-11]，在灰铸铁中加入Cr可以提高强度和硬度。其原因在于，Cr可以增加灰铸铁中的珠光体含量[5]，细化珠光体[2]，增加共晶团数量[5，6]以及促进D型石墨生成[9]，Cr已成为提高灰铸铁强度最廉价和有效的合金元素。

4 结论

不含Cr和含0.21%Cr的神龙富康激冷灰铸铁凸轮轴的三点弯曲断裂载荷的平均值分别为6.5kN和7.0kN，两者的Weibull模量分别为11.4和14.3；后者的可靠性更高。

[1] 王春祺,Fredriksson H.铬、硅对铸铁灰-白凝固的影响[J].铸造，1984（1）：8-14，61.

[2] 苏俊义.合金元素在铸铁中的作用—铬的作用[J].铸造技术，1985（1）：61.

[3]Bates C E，陈柏林.合金元素对灰铸铁强度和金相组织的影响[J].现代铸铁，1986（3）：39-45.

[4] 李剑威，杜希峰，徐伟.铬锰合金铸铁的耐热性能研究[J].铸造技术,1992（2）：8-10.

[5] 乔林锁.低铬灰铸铁的高温性能及其应用[J].包钢科技，1995（4）：45-48.

[6] 袁锡爵，堀江皓，小绵利宪.低合金稀土高强度灰口铸铁的研制[J].现代铸铁，1995（2）：23-28，16.

[7] 舒信福，陈政，李莉.铬钼镍铜对铸态贝氏体灰铸铁组织和性能的影响[J].现代铸铁，1995（3）：18-21.

[8] 蔡启舟，魏伯康，林汉同.锑铬合金化及其在灰铸铁中的应用[J].现代铸铁，1996（2）：20-24.

[9] 杨森，魏芳，梁文心.玻璃模具用低铬D型石墨灰铸铁的研究[J].铸造，2001（8）:462-465.

[10] 李自军，魏伯康.铬铜中磷灰铸铁活塞环的铸态组织对性能的影响[J].中国铸造装备与技术，2008（1）:11-15.

[11] 杨贵成，杨凤民.中频感应电炉熔炼灰铸铁抗拉强度与硬度的关系[J].现代铸铁，2000（2）：53-55.

Effect of Cr on Three-point Bending Fracture Load of Camshaft

SHEN BaoLuo，LI Li，YUE ChangLin，GAO ZhiWen，LIU DaChuan，WANG Wei
（Chengdu Jinding Camshaft Foundry Co.Ltd.，Pixian County 611732，Sichuan China）

Camshaft in the service process will bear alternating bending and torsion.Three-point bending fracture test and Weibull statistical analysis of three-point bending fracture loads have been used to two Citroen camshafts contained 0.21%Cr or traces of Cr(0.02%Cr)to evaluate the reliability.The results showed that the three-point bending fracture loads of the two camshafts were in line with the three parameter Weibull model,their shape parameters m were 14.3(the camshaft contained 0.21%chromium)and 11.4(the camshaft contained 0.02%Cr)respectively,which shows the former has a higher reliability.The average fracture load were 7.0kN (the camshaft contained 0.21%chromium)and 6.5kN (the camshaft contained 0.02%Cr)respectively,which shows Cr can improve the fracture resistance of the camshaft.Preliminary analysis of the reasons for the above-mentioned phenomena has been done.

Camshaft；Grey cast iron；Chromium；Three-point bending fracture load

TG 251；

A

1006-9658（2011）01-3

2010－09－01

2010－130

沈保罗，（1945-），博士生导师，从事铸造凸轮轴生产与新产品开发