汽車(chē)水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系上的關(guān)鍵部件，其在水泵軸承的一端通過(guò)皮帶輪輸入扭矩，帶動(dòng)另一端的葉輪旋轉(zhuǎn)。為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的大功率、效率高率的發(fā)展要求，對(duì)水泵軸承提出了更高的性能要求。斷裂、腐蝕、剝落和漏脂等是汽車(chē)水泵軸承常見(jiàn)的失效模式，其中以斷裂的危害大，因此對(duì)斷裂的失效模式進(jìn)行分析并制定相應(yīng)的預(yù)防措施是十分必要的。
某型號(hào)汽車(chē)水泵在車(chē)輛運(yùn)行大約200小時(shí)后發(fā)生軸承斷軸問(wèn)題，用戶嚴(yán)重抱怨。該水泵軸承型號(hào)為，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，斷口發(fā)生在法蘭盤(pán)后部的退刀槽處。為了掌握該水泵軸承斷裂的原因，對(duì)失效件進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1.斷口分析
斷口形貌如圖2所示，疲勞裂紋擴(kuò)展臺(tái)階和條紋清晰可見(jiàn)，根據(jù)其特征將斷口分為3個(gè)區(qū)域：起裂源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)。通過(guò)肉眼和低倍鏡觀察發(fā)現(xiàn)：1區(qū)出現(xiàn)明顯的反復(fù)摩擦痕跡，因此可以斷定此處為疲勞裂紋的起始位置。1區(qū)的下方出現(xiàn)放射狀條紋，而且有明顯的撕裂痕跡，所以該區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。2區(qū)的起始位置存在明顯的撕裂痕跡，之后又沒(méi)有出現(xiàn)，這說(shuō)明裂紋在開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)速度很快。隨著裂紋的加深，擴(kuò)展速度不斷減小，后僵持停留一段時(shí)間，在斷口上留下停留痕跡。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界值，軸的剩余截面無(wú)法克服彎扭復(fù)合應(yīng)力時(shí)，就造成以剪應(yīng)力為主的瞬時(shí)剪切疲勞破壞，因此3區(qū)存在拉長(zhǎng)的韌窩，且有弧形劃痕。通過(guò)斷口的觀察和分析可知，斷面屬典型的彎扭復(fù)合疲勞斷裂。在開(kāi)始時(shí)，裂紋的起裂和擴(kuò)展主要以彎曲應(yīng)力為主，一旦起裂，裂紋擴(kuò)展速度由快變慢，之后進(jìn)入裂紋擴(kuò)展僵持階段，后以剪應(yīng)力為主造成軸的斷裂失效。
2.化學(xué)成分檢驗(yàn)
對(duì)斷軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，根據(jù)GB/T18254-2002判定化學(xué)成分合格，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
材料中的高碳可以得到高含量的馬氏體從而保證高的硬度及耐磨性，同時(shí)還有利于形成高硬度的碳化物，進(jìn)一步提高硬度和耐磨性。Si、Mn是常規(guī)元素，有利于固溶強(qiáng)化，同時(shí)可以提高鋼的淬透性。Cr一方面可以提高淬透性，另一方面還可以形成合金滲碳體，使鋼中的碳化物細(xì)小均勻，從而大大提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度。
3.硬度檢驗(yàn)
水泵軸的熱處理工藝及硬度規(guī)范見(jiàn)表2，熱處理設(shè)備采用的是網(wǎng)帶爐。經(jīng)測(cè)試斷軸的硬度為62HRC，符合規(guī)范要求。
GCr15的Ac1、Ac3分別是760℃和900℃，因此淬火溫度定為840±10℃，回火溫度根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求確定為160℃。關(guān)于淬火回火保溫時(shí)間，和加熱爐功率、裝爐量以及零件有x壁厚等相關(guān)，通常保證零件均勻熱透為準(zhǔn)。
4.材料金相檢驗(yàn)
用斷軸制備試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，圖3a為心部顯微組織圖片，馬氏體評(píng)定為二級(jí)，圖3b為硬化層碳化物顯微組織圖片，淬火、回火碳化物二級(jí)。其組織有黑區(qū)和白區(qū)之分，黑區(qū)是以板條狀馬氏體為主的隱晶馬氏體，白區(qū)是以孿晶馬氏體為主的隱針馬氏體。
由以上結(jié)果來(lái)看，軸顯微組織由細(xì)小結(jié)晶馬氏體，隱晶馬氏體，少量細(xì)小針狀馬氏體，少量殘留碳化物和適量的殘余奧氏體組成，導(dǎo)致心部硬度較高，韌性較低。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，材料總是不可避免存在原始缺陷（如微裂紋、夾渣、偏析等），這些缺陷破壞了材料組織的連續(xù)均勻性，導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)度的降低。在皮帶輪的徑向載荷沖擊作用下，上述缺陷逐步發(fā)展成為裂紋，出現(xiàn)疲勞失效，終斷裂。
5.解決方案
通過(guò)檢驗(yàn)分析確定斷軸屬典型的彎扭復(fù)合疲勞斷裂，其化學(xué)成分、硬度、金相組織以及熱處理工藝等均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。但是，淬火后的軸韌性不足，導(dǎo)致彎扭疲勞強(qiáng)度低。其次，根據(jù)圖1分析顯示，皮帶輪的載荷通過(guò)法蘭盤(pán)傳遞到水泵軸承軸，而法蘭盤(pán)后部的退刀槽存在不錯(cuò)缺口效應(yīng)，是應(yīng)力集中部位，極易出現(xiàn)裂紋源。因此，可以通過(guò)改變水泵軸承熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的解決方案，來(lái)解決水泵軸承斷裂的質(zhì)量問(wèn)題。
5.1熱處理工藝的優(yōu)化
為解決淬火后軸的韌性不足問(wèn)題，采用了表面高頻感應(yīng)淬火工藝，熱處理工藝及硬度規(guī)范見(jiàn)表3。
表面感應(yīng)淬火，加熱快速和短時(shí)間的保溫會(huì)降低奧氏體的碳含量，這樣更容易得到亞結(jié)構(gòu)高密度位錯(cuò)的板條狀馬氏體而非針狀馬氏體，所以韌性較之前有所提高。而且感應(yīng)淬火表面會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，外硬內(nèi)韌的零件可以有x地提高抗疲勞強(qiáng)度，從而避免斷軸現(xiàn)象的再次發(fā)生。顯微分析可知淬火得到的組織為隱晶馬氏體及細(xì)小均勻分布的碳化物和少量的殘余奧氏體。保留的少量殘余奧氏體可以松弛應(yīng)力，起緩沖作用，因殘余奧氏體又軟又韌，能部分吸收馬氏體化急劇膨脹能量，緩和相變應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生。淬火完畢后及時(shí)進(jìn)行低溫回火，一般三小時(shí)之內(nèi)必須回火，否則內(nèi)應(yīng)力易造成開(kāi)裂。
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明，軸表面硬度為58～63HRC，深度為（0.8～4.0）（550HV），心部硬度不大于179～271HBS為比較理想狀態(tài)。
5.2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
為解決法蘭盤(pán)后部退刀槽的不錯(cuò)缺口效應(yīng)并提高軸的機(jī)械強(qiáng)度，將軸的退刀槽移到法蘭盤(pán)前端，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖4。優(yōu)化后軸的承載部分直徑變大，并且之前容易形成應(yīng)力集中的溝槽部位不再承受皮帶輪的載荷，結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，有x地提高了軸的承載能力。
6.結(jié)語(yǔ)
水泵軸承的早期斷裂失效屬典型的疲勞斷裂，通過(guò)對(duì)失效件進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，終通過(guò)高頻感應(yīng)淬火熱處理工藝和優(yōu)化泵軸幾何尺寸的方案，有x地提高了軸的抗疲勞強(qiáng)度和承載能力，從而避免了水泵軸承斷軸現(xiàn)象的再次發(fā)生。同時(shí)感應(yīng)淬火具有加熱均勻、變形小、質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是普通淬火處理無(wú)法比擬的。