汽车飞轮冷挤压用轧辊的失效分析

万训智 ，吕 犇 ，刘 澄

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）

汽车飞轮是一个圆盘状带齿零件，位于汽车发动机的后端，是一种利用角动量守恒来储存旋转能量的机械装置。它将发动机的曲轴和汽车变速器的变阻器连接起来，转动后可保持着较大的转动惯量，使发动机曲轴能够惯性旋转，从而传递动力[1-2]，可以用来减少发动机运转过程的速度波动，使发动机运转平稳并减振降噪[3-5]。飞轮的质量会直接影响汽车的性能、安全性和舒适性。飞轮由轧辊经过多道冷挤压工序制造而成，因此轧辊的性能对飞轮有着直接的影响。目前工业采用18CrNiMo7-6渗碳钢来制造轧辊，由于该轧辊在飞轮成型过程中经常承受复杂而较大的载荷，这导致其早期失效时常发生。轧辊的主要失效形式为疲劳和磨损[6-7]，一旦发生需要频繁更换，严重影响生产效率，直接导致加工成本提高[8]。本研究针对18CrNiMo7-6合金钢轧辊在服役过程中的早期失效进行分析，探究其失效的主要原因，为未来的轧辊工艺优化以及质量提高提供帮助。

1 实验材料与方法

本研究采用18CrNiMo7-6低碳合金钢制轧辊，该轧辊经过工业上常用的渗碳淬火处理后[9]，在生产厂商制造飞轮服役后出现早期失效（其服役寿命比所要求的低5倍）。轧辊形貌特征如图1所示，主要化学元素成分如表1所示。根据轧辊行业的现有规范，进行过渗碳热处理的轧辊需要表面硬度≥58 HRC，渗碳层深度≥3 mm。通常来讲，渗碳层的硬度值要大于550 HⅤ[10]。

表1 轧辊的主要化学成分（wt/%）

图1 失效轧辊宏观形貌

对失效轧辊进行逐级线切割获得实验用试样，如图2所示。在轧辊横截面切割一个宽度为10 mm的块状试样，并在其受力最大的槽口处切割出15 mm×10 mm×9 mm的U形槽口试样。根据金相制备的标准对试样进行研磨和抛光，最后用2%硝酸酒精溶液进行腐蚀。

图2 线切割过程示意图

采用光学显微镜（Jiannan MR5000）和扫描电子显微镜（Gemini SEM 300）对试样的显微组织进行观察。根据GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》和GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用HR-150A洛氏硬度计以及MHⅤ-100显微硬度计对其宏观及微区硬度进行测试。

2 结果与讨论

从图1可以看出，在失效轧辊表面未发现明显的裂纹和材料损失，如图1（a）所示，但是在它侧面，槽口处有明显的剥落和犁沟，如图1（b）所示。

图3为对图2（b）所示试样进行宏观硬度测试的结果，可以看出沿B方向硬度的变化趋势是两边高中间低，硬度值波动较大，如图3（a）所示。图3（b）表明沿着C方向，由槽口底部向心部，硬度呈现先降低，然后保持一段距离后再升高的趋势。需要指出的是，在离槽口约3 mm处硬度迅速降低。

图3 失效轧辊的宏观硬度

对图2（c）试样的C区域进行显微组织观察，如图4所示。从图4（a）可以清楚地看出，轧辊表层的显微组织是由典型高碳回火马氏体（TM）、残余奥氏体（RA）和一些碳化物组成，图4（b）可以观察到回火马氏体较细，呈现细针状。

图4 失效轧辊试样的表层显微组织

图5为失效轧辊的断口形貌。从图5（a）可以看出，裂纹从槽口底端磨损处萌生，逐渐向内部线性扩展。裂纹粗而长，在其扩展的过程中，伴有二次裂纹的产生，与主裂纹接近垂直。在裂纹扩展的过程中，裂纹宽度随着扩展的距离逐渐减少，最终在过渡层中停止。此主裂纹长度为1 600 μm，最大宽度为100 μm。从图5（b）中主裂纹源头可以得知，在复杂和较大的外力作用下，在凹槽表面已明显出现多个早期微裂纹，并随着外力继续加载，这些微裂纹汇集在一起，形成主裂纹，向内扩展。观察还表明，槽口处氧化现象较为明显。

图5 失效轧辊断口形貌

沿着如图6所示的各个箭头方向对试样槽口附近进行显微硬度测试。图6（a）表明，对于A1线、A2线和A3线，从槽口处向内测得横向渗碳层厚度分别为2.50 mm、2.40 mm和1.85 mm。也就是说，越靠近凹槽底部，渗碳层厚度将越薄。图6（b）表明，其右侧渗碳层厚度从上到下分别为2.35 mm、2.00 mm和1.70 mm。纵向线C1线、C2线和C3线，测得其渗碳层厚度分别为1.34 mm、1.17 mm和1.17 mm（图6（c））。以上测试结果说明，在试样的9个方向上，渗层厚度都不均匀，且都未达到渗碳层厚度3 mm的要求。

图6 轧辊槽口周围显微硬度图

如上文所述，18CrNiMo7-6钢轧辊表面显微组织为TM、RA以及碳化物，如图4所示，应具有较高的强度、硬度以及韧性。但从图6可以看出，其槽口周边的硬度分布极其不均匀，靠近槽口相邻的两个点硬度值相差100 HⅤ以上，同时纵向硬度波动很大，如图6（c）所示。当受到循环加载和反复冲压时，由于硬度分布不均匀极易导致应力集中，进而磨损失效。轧辊在服役时，不仅会受到压应力，还会有摩擦力、冲击力以及交变载荷的共同作用，交替作用下，会导致其槽口出现剥落，如图1及图5（b）所示，这也是其早期失效的原因之一。在加工飞轮盘进行高速运动时，会对轧辊槽口产生较大的冲击力作用，因轧辊表面的高硬度区域较薄，如图3、图6所示，亚表层的低硬度区域无法抵抗外力，将协同表层一起发生变形，会产生剥落或形成微裂纹并汇集成主裂纹向内扩展，如图5所示。主裂纹与次裂纹近乎垂直，说明其受载巨大，使轧辊易开裂和磨损。

3 结语

综上所述，通过对制造汽车飞轮的轧辊进行失效分析可知，轧辊外表面并无明显的损伤痕迹，主要失效在轧辊槽口的底部，具体结论如下。

1）轧辊槽口底部观察到明显的材料剥落及裂纹的萌生和扩展。

2）主裂纹源于轧辊槽口底部即应力最大处，长度为1 600 μm，最大宽度为100 μm，伴随有大量次生裂纹产生。

3）18CrNiMo7-6渗碳钢轧辊经渗碳淬火后，其槽口处的渗碳层厚度不均匀，且低于3 mm设计要求。同时轧辊槽口的硬度分布不均匀，易产生应力集中，导致轧辊早期失效。

4）轧辊的服役条件复杂，所受的载荷大，冲击力强，应力集中在槽口处，循环加载，易造成失效。