針對曲軸兩（liǎng）大失效模式:軸頸磨損和疲勞斷（duàn）裂（liè）,需要對曲軸（zhóu）表麵進行強化處理.經（jīng）表麵強化處理後（hòu）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,從而有效保證曲軸（zhóu）的性能.

      曲軸是內燃機中承受（shòu）衝擊載荷、傳遞動力的關鍵零（líng）件，在內燃機五大件中（zhōng）是最難以保證加工質（zhì）量的零件。由於曲軸工況（kuàng）條件惡劣，因此（cǐ）對曲軸的材質、毛坯（pī）加工技術、精度、表麵粗糙度、熱處理和表（biǎo）麵（miàn）強（qiáng）化、動平衡等要（yào）求都十分嚴格。若其中任（rèn）何一個（gè）環節沒有保證質（zhì）量，即可嚴重影響（xiǎng）曲軸的壽命和整機的可（kě）靠性。

      曲軸材質目前主要分兩類：一類是（shì）鍛鋼（gāng），另一（yī）類是球墨鑄鐵。采用鑄造方法可獲得較為理想的結構形狀，有利於曲軸（zhóu）的輕（qīng）量化設計，且加工餘量隨鑄造工（gōng）藝（yì）水平的提高而減小。另外，球墨鑄鐵的切削性能良好，並且（qiě）和（hé）鋼質曲軸一樣可以進（jìn）行各種熱處理和表麵強化處理來提高曲軸的抗疲（pí）勞強度、硬度和耐磨性，而且球鐵中（zhōng）的內摩擦所耗功比（bǐ）鋼大，減小了工（gōng）作時（shí）的扭轉振動的振幅和應力，應力集中也沒有剛質曲軸敏感，所以球（qiú）墨鑄鐵曲軸在國內外得到廣（guǎng）泛應用。對於（yú）160 kW以上的大功率曲軸，則優先采用鍛鋼曲軸。

      無論是鍛鋼曲軸還（hái）是球墨鑄鐵曲軸，一般都必須實（shí）施表麵強化處（chù）理工（gōng）藝，其目的（de）在於針對曲軸的（de）兩大失效模式：軸頸磨損和疲勞斷裂。經表麵強化處理後的曲軸，在硬度、耐（nài）磨性（xìng）、抗疲勞強度方麵（miàn）有不同程（chéng）度的提高。針對不同材質、不同（tóng）工況條件（jiàn）的曲軸，應采用不同的表麵處理技術，才能達到較好的（de）處理（lǐ）效果。

      曲軸表（biǎo）麵處理方法較多（duō），但歸納起來可以分為以下幾種：

      1．氮化處理

      曲軸的氮化包括氣體軟氮（dàn）化、離（lí）子氮化和鹽浴氮化等，適合於各類曲軸，其功能主要是提高曲軸（zhóu）軸頸的硬度、耐磨性和耐（nài）腐蝕性，對（duì）提高曲軸疲勞強度方麵貢獻不大，大約30%左右。

      氣（qì）體（tǐ）軟氮化由分解、吸收（shōu）和擴散（sàn）三個基本過程組成。在氣體軟氮化過程中，滲（shèn）劑（jì）不斷分解，產生活性氮原子和（hé）活性碳（tàn）原子，這些活性（xìng）原子被（bèi）吸附到曲（qǔ）軸表麵並擴散滲入到球墨（mò）鑄（zhù）鐵中。氣體（tǐ）軟氮化的（de）溫度一（yī）般為570℃左右。氣體氮化一般不會降低曲（qǔ）軸的表麵粗糙度等級，但（dàn）是由於（yú）曲軸出（chū）爐冷卻過（guò）程中同空氣接觸，從而形成一（yī）層很薄的、容（róng）易脫落的氧化（huà）膜，它將危害軸瓦的正常工作，因此曲（qǔ）軸氮化（huà）處理後，重要部位須進行拋光處理。

      氮化處理後，曲軸的表麵形成結構（gòu）均勻、具有一定韌性且硬度很高的致密化合（hé）物層，它對（duì）提高曲軸的（de）耐磨（mó）性起著主要作用；另外與化合物結合（hé）成緊密的、由表及裏（lǐ）並具有相當高硬度的擴散層，同樣起著提（tí）高耐（nài）磨性（xìng）的作用；同時（shí），氮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。氮化後曲軸表麵致密化合物層化（huà）學性能極為穩定，使其具有良好的耐腐蝕性，這是其他表麵處（chù）理方式無法達到（dào）的。圖1為氮化後的曲軸軸頸表麵（miàn）。

      離子氮化和鹽（yán）浴氮化（huà）等雖然工藝（yì）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（fāng）麵有（yǒu）很大提高。

      2．圓角噴丸

      由於曲軸在交變應力作（zuò）用下工作，軸頸圓角處發生應力疲勞和應變疲勞破壞的危險性極大，圓角噴丸技術應需而生（shēng），適合於各類曲軸。

      曲軸（zhóu）圓角噴丸強化的機理是，用嚴格控製直徑並具有一定強度的丸粒，在（zài）高（gāo）速氣流的作用下，使（shǐ）其形成彈（dàn）丸（wán）流並連續向金屬（shǔ）表（biǎo）麵噴射，使金屬表麵產生較大的塑性變形，進而（ér）形成冷作硬化層。

      由於曲軸在加工過（guò）程中受到切削力的（de）作（zuò）用（yòng），圓角處應力（lì）分布極不均勻，工作中又受到交變應力的作用，因此（cǐ）很容易產生應力腐（fǔ）蝕而使曲軸的疲勞壽命降低。曲軸圓角經噴丸強化後，由（yóu）於強化層內存在很高的殘餘壓應力，使（shǐ）曲軸在工作中抵禦了拉應（yīng）力的擴展，從而彌（mí）補了機械加工中曲軸圓角表麵應力（lì）分（fèn）布不均勻的缺陷，改善了曲（qǔ）軸圓角表麵（miàn）應力（lì）狀態。從組織機構來看（kàn），由於受到高速彈丸流的錘擊，圓角表麵的金屬晶格（gé）發生了強烈的扭曲，產生了強化層。由於強（qiáng）化層（céng）具有密度極高的位錯，它對晶格因受拉力的作用而（ér）產生沿晶界的滑移有阻止作用；同（tóng）時，在（zài）交變應力或溫度的作用下，位錯逐漸地（dì）並形成多邊形結構後，使強化層內形成更加微小（xiǎo）的晶粒。這種變化有效抑製了應力（lì）腐蝕，延長了疲勞壽命。

      曲軸經圓角（jiǎo）噴丸（wán）處理後能提高疲勞強度的20%～40%，對其他性（xìng）能無提高功效，又因（yīn）噴丸時須保（bǎo）護軸頸表麵，故采用較少。

      3．軸頸淬火（含圓角淬（cuì）火）

      曲（qǔ）軸軸頸淬火是為（wéi）了增加曲軸軸頸表麵的硬度和（hé）耐磨性，並提高曲軸的抗疲勞強度。

      球墨鑄（zhù）鐵淬火過（guò）程（chéng）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（dù），保溫一定時間（jiān），使基體（tǐ）組織轉變為均勻的奧氏體（tǐ），然後在淬（cuì）火液中快速冷卻，得到馬氏體組織。

      （1）淬火溫（wēn）度 根據球鐵的化學成分和（hé）原始組織來選擇。如含矽量（liàng）在2%～3%時，淬火溫度取850～900℃為宜（yí）。含矽量（liàng）高，取上限，反之取下限。過高的淬火溫度，將使馬氏體針變粗並增加殘餘奧氏體量，使機械（xiè）性能（néng）變壞，尤其（qí）韌性顯著下降。因此，在保證奧氏體化的前提下，應盡量采用較低的淬火溫度。

      （2）保溫時間 為了使一部分石墨碳在淬火加熱（rè）時融入奧（ào）氏體，必須有（yǒu）一定（dìng）的保溫時間，但保溫時間（jiān）太長會導致奧氏體晶粒粗化。因此，保溫時（shí）間在能保證奧氏體為碳所飽和的原則下，愈短愈好。此外，原始組織（zhī）對保溫時間有較大影響。原始組織為鐵素體基體者，保溫時間（jiān）應（yīng）適當延長。

      （3）回火 球鐵淬火後的基體組織為馬氏體+少量殘餘奧氏體，硬度可（kě）達58～60 HRC。淬火組織不穩定，內應力很（hěn）大（dà），強（qiáng）度低，脆性，因（yīn）此（cǐ）必須（xū）在4 h內立即（jí）回火（huǒ）。

      軸頸淬火（含）在鍛鋼曲軸中應用比較普遍，它是提高（gāo）鋼曲軸硬度、耐磨性和疲勞強度（dù）的最有效手段之一，目前已實（shí）現了（le）自動化加工。該強化方式應用於球鐵曲軸時，能提（tí）高疲勞強度的20%，而應用於鋼軸時，則能提高100%以（yǐ）上，故（gù）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（miàn）圖。

      4．滾磨光整

      滾磨光整是指零件（jiàn）在獲（huò）得規定的尺寸精度、幾何精度之後，那些旨在提高零件表麵（miàn）質量為（wéi）目（mù）的的多種加工方法、技術被稱為表麵光整加工技術，簡稱光整技術。根據顆粒狀磨料的大小，可分為毛坯表（biǎo）麵光整加工（gōng）技術和（hé）精密表麵光整加工技術。

      該技（jì）術可簡要概括為：由顆粒狀磨（mó）料和（hé）多功能磨（mó）液以及水組成磨具，磨具在料箱中做複雜的自由運動，將工件沉沒於磨具之中並強製（zhì）其運動，工件和磨（mó）具之間以一定的相（xiàng）對速度和作用力發生摩擦、擠壓、刻劃和微（wēi）量切削，以達到零件表（biǎo）麵質量的提高，具（jù）體效果和特點（diǎn）包括：

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

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

      （3）可大（dà）幅度提高（gāo）表麵輪廓支承長（zhǎng）度率Tp值，提（tí）高（gāo）表麵耐（nài）磨性。

      （4）光整加工表麵的（de）紋（wén）理呈（chéng）現（xiàn）非連續無方向麻點細粒狀P形紋理，更利於儲油提高抗磨性。

      （5）能去除手工無法去除的鏽蝕、氧化層（céng）和改善缺陷，使表麵光亮奪目手感光滑柔和。

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

      （7）提高零件的清潔度，降低數值。

      （8）光整加工具有零件整體性加工的特點，即將零件沉沒於磨具之（zhī）中，對各（gè）表麵不分工序（xù），同時加工。

      綜合上（shàng）述特點，光整加工可（kě）改善零件的裝（zhuāng）配性，提高耐腐（fǔ）蝕性、抗磨性和疲勞（láo）強度，從而提高了曲軸的可靠性和使用壽命。圖3為滾磨光整後（hòu）的曲軸表麵。

      5．圓角滾壓

      曲軸的圓角滾壓是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的（de）主軸頸和連杆頸（jǐng）過（guò）渡圓角處形成（chéng）一條滾壓（yā）塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以（yǐ）下（xià）特點：

      （1）產生殘（cán）餘壓應（yīng）力，可與曲（qǔ）軸在工作時的拉應力抵消或部分抵消，從而提高（gāo）曲軸（zhóu）的疲勞強度。

      （2）硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密（mì）層，使曲軸的機（jī）械（xiè）強（qiáng）度和（hé）疲勞強度得到提高（gāo）。

      （3）改善（shàn）表（biǎo）麵粗糙度。圓角滾壓可使曲軸圓角表麵粗糙度達到Ra0.2以下，從而大（dà）大減小了圓角（jiǎo）處的應（yīng）力集中，提高了疲勞（láo）強度。

      根據統計資料：球（qiú）鐵曲軸經圓角滾壓後壽命可提高70%～150%，國外的數據顯示（shì）可達到200%以上。由（yóu）此可見，采用圓角滾壓強化（huà）工藝，可使大功率發動機曲軸采用球鐵製造（zào），從而代替鍛鋼曲（qǔ）軸，節約加工成本和材料成本。圖4為圓角滾（gǔn）壓後的曲軸軸頸圓角形態。

      結語

      曲（qǔ）軸表麵（miàn）強化處理方式較多，一般有氮化處理、圓角噴丸、淬火處理、滾磨光整和（hé）圓角滾壓等5種處理方式。目前，應用較多的是複合強化工藝，一般有兩種：氮化加圓角滾壓工藝和淬火加圓（yuán）角滾壓工藝。