針對曲軸兩大失效模式:軸頸磨損和疲勞斷裂,需要對曲軸表麵進行強化處理.經表麵強化處理（lǐ）後的曲軸,在硬度,耐磨性（xìng）及抗疲勞強度等方（fāng）麵（miàn）有不同程度的提高,從而有（yǒu）效保證（zhèng）曲軸的性能.

      曲軸（zhóu）是內燃機中承受衝擊載荷、傳遞動力的關鍵零件，在內燃機（jī）五大件（jiàn）中是最難（nán）以保證（zhèng）加工質量的（de）零件。由於曲（qǔ）軸工況條件惡劣，因此對（duì）曲軸的材質、毛坯（pī）加工技術、精度、表麵粗糙度、熱處理和表麵強化、動平衡等要求（qiú）都十分嚴（yán）格。若其中任（rèn）何一個環節沒有保證質量，即可嚴重影響曲軸的壽（shòu）命（mìng）和整機（jī）的可靠性。

      曲軸材質目前主（zhǔ）要分兩（liǎng）類：一類是鍛鋼，另（lìng）一類是球墨鑄鐵（tiě）。采用鑄造方（fāng）法可獲得較為理想的結構形狀，有利（lì）於曲軸的輕量化設計，且加工餘量隨（suí）鑄造工藝水平的提高而減小。另外，球墨鑄鐵的切削性（xìng）能良好，並且和鋼質（zhì）曲軸一樣可以進行各種（zhǒng）熱處（chù）理和表麵強化處理來提（tí）高（gāo）曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性，而且球鐵中的內摩擦所耗功比鋼大，減小了工作時的扭轉振動的振幅（fú）和應力，應力集中也沒有剛質曲軸敏感，所以球墨鑄鐵曲軸（zhóu）在國內外得到廣泛應用。對於（yú）160 kW以上（shàng）的大功（gōng）率曲軸，則優先采（cǎi）用鍛鋼曲軸。

      無論是鍛鋼曲軸還是球墨鑄（zhù）鐵曲軸，一般都必須實（shí）施表麵強化處理（lǐ）工藝，其目的（de）在於針（zhēn）對曲軸的兩大失效模式：軸頸磨損（sǔn）和疲勞斷裂（liè）。經表麵強化處理後的曲軸，在硬度、耐（nài）磨性（xìng）、抗疲勞強（qiáng）度方麵有不同（tóng）程度的提高（gāo）。針對不同材質、不同工況條（tiáo）件的（de）曲軸（zhóu），應采用不（bú）同的表麵處理（lǐ）技（jì）術，才能達到較好的處理效果。

      曲（qǔ）軸表麵（miàn）處（chù）理方法較多，但歸納起來可以分為以（yǐ）下幾種：

      1．氮化處理

      曲軸的氮化包括氣體軟氮化（huà）、離子氮化和鹽浴氮化（huà）等（děng），適合於各類曲軸，其功能主要是提高曲軸軸頸的硬度、耐（nài）磨性（xìng）和耐腐蝕性，對提高曲軸疲勞強度方麵貢獻不大，大約30%左右。

      氣體軟氮化由分解、吸收和擴散（sàn）三（sān）個基本過程組成。在氣體軟（ruǎn）氮化過程中，滲劑不斷分解，產生活性氮原子和（hé）活性碳原子，這些活性（xìng）原子被（bèi）吸附到曲軸表麵並（bìng）擴散滲入到（dào）球墨鑄鐵中。氣體軟氮化的溫度一般為570℃左右。氣（qì）體氮化一般不會降低曲（qǔ）軸的（de）表（biǎo）麵粗糙度等級，但是由於曲軸出爐冷卻過程中同空氣接觸，從（cóng）而形成一層（céng）很薄的、容易脫落的氧化膜，它將危害軸瓦的正常工作（zuò），因此（cǐ）曲軸氮化處理後，重要部位（wèi）須進行拋（pāo）光處理。

      氮化處理後，曲（qǔ）軸的表（biǎo）麵形成結構均勻、具有一定韌性且硬度（dù）很高的致（zhì）密化合物層，它對提高曲軸的耐磨性起著主要作用；另外與化合物（wù）結合成緊密的、由表及裏並具有（yǒu）相當高硬度的擴（kuò）散層，同樣起著提高耐（nài）磨性的作用；同時，氮化層組織本（běn）身具有一定潤（rùn）滑減磨作用，使曲軸的摩（mó）擦係數大大降低。氮化（huà）後曲軸表麵致密化合物層化學性能極為穩定，使其具（jù）有（yǒu）良好的耐腐蝕性，這是（shì）其他表麵處理方式無法達到的。圖1為氮化後的曲軸軸頸表麵。

      離子氮化和鹽浴氮化等雖然工藝方法（fǎ）與氣體（tǐ）軟（ruǎn）氮化（huà）不同，但其功效相似，在硬（yìng）度、耐磨性和（hé）耐腐蝕性方麵有很大提高。

      2．圓角噴丸

      由於曲軸在交變應力（lì）作（zuò）用下工作，軸頸圓角處發生應（yīng）力疲勞和（hé）應變疲（pí）勞破壞的危（wēi）險性極大，圓角噴丸技術應需（xū）而生，適合於各類曲軸。

      曲（qǔ）軸圓角噴丸強化的機理是，用嚴（yán）格控製直徑並具有一（yī）定強度的（de）丸粒，在高速氣（qì）流的作用下，使其形成（chéng）彈丸流並連續向金屬表麵噴射，使（shǐ）金屬表麵產（chǎn）生較大的塑性變形，進而形成冷作硬化層。

      由於曲軸（zhóu）在加工過程中受到切削力的（de）作用，圓角處應力分布（bù）極不均勻，工作中又受到交變應（yīng）力的作用，因此很容易（yì）產生（shēng）應力腐蝕而使（shǐ）曲軸的疲勞壽命降低（dī）。曲軸圓角經噴丸強化後，由於（yú）強化層內存在很高的殘餘壓應力，使曲軸在工作中抵禦了拉應（yīng）力的擴展（zhǎn），從（cóng）而彌（mí）補了機械加工中曲軸圓角表（biǎo）麵應力分布不均勻的缺陷，改善了曲軸圓角表麵應力狀態（tài）。從組織（zhī）機構來看，由於受（shòu）到高速彈丸流的錘擊，圓角表麵的金屬（shǔ）晶（jīng）格（gé）發生（shēng）了強烈的扭曲，產生了強化層。由於強化層具有密（mì）度（dù）極高的位（wèi）錯，它對晶格因受拉力的作用而產生（shēng）沿晶界的滑移有阻止作用；同時，在交變應力或溫（wēn）度的作用（yòng）下，位錯逐漸地並形成多邊形（xíng）結構後，使強化層內形成更加微小的晶粒。這種變化有效抑製（zhì）了應力腐蝕，延長了疲（pí）勞壽命。

      曲軸經圓角噴（pēn）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（gōng）效，又因噴丸時須保護（hù）軸頸表麵，故采用（yòng）較少。

      3．軸頸淬火（含圓角淬火）

      曲軸軸頸淬火是為了增加曲軸軸頸表（biǎo）麵的硬度和耐磨性，並提高曲軸的抗疲勞強度。

      球墨鑄鐵淬火（huǒ）過程中基體組織的轉（zhuǎn）變與鋼（gāng）基體相同。即將鑄件加熱到Ac以上溫度，保溫一定時間，使（shǐ）基（jī）體組織轉（zhuǎn）變為均勻的奧氏體，然後（hòu）在淬火液中快速冷卻，得到馬氏體組織。

      （1）淬火溫度 根據球鐵的化學成（chéng）分和原始組織來選擇。如含矽量在2%～3%時，淬火溫度取850～900℃為宜（yí）。含（hán）矽量高，取上限，反之取下限。過高的淬火溫度（dù），將（jiāng）使馬氏體針變粗並增加（jiā）殘餘奧氏體量，使機械性能變壞，尤其韌性（xìng）顯著下降。因此，在保證奧氏體化的前提下，應盡量采用（yòng）較（jiào）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時融入（rù）奧氏體，必須有一定的保溫（wēn）時間，但保溫時間太長會導致奧氏（shì）體晶粒粗化。因此，保溫時間在能保（bǎo）證（zhèng）奧氏（shì）體為碳所（suǒ）飽和的原（yuán）則下，愈短愈好。此（cǐ）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，保溫時間應適當延長。

      （3）回火 球鐵淬火後的基體組織為馬氏體+少（shǎo）量殘餘奧氏體，硬度可達58～60 HRC。淬火組織不穩定，內應力很大，強度低，脆性，因此必（bì）須在4 h內立即回火。

      軸頸淬火（含）在鍛鋼曲（qǔ）軸中應用比較普遍，它是提高鋼曲軸硬度、耐磨性和疲（pí）勞強度的最有效手段之一，目前已實現了自動化（huà）加工。該強化方式應用於（yú）球鐵曲軸時，能提高疲勞強度的20%，而應（yīng）用於鋼軸時，則能提高100%以上（shàng），故在鋼（gāng）軸中應用比較（jiào）普遍。圖2為鍛（duàn）鋼曲軸軸頸與（yǔ）圓角淬火截麵圖。

      4．滾磨光整

      滾磨光整是指零件在獲得規（guī）定的尺寸（cùn）精度、幾何精度之後，那些旨在提高（gāo）零件表（biǎo）麵質量為目的的多種加（jiā）工方法（fǎ）、技術被稱為表麵光整加工技術，簡稱（chēng）光整技術。根據顆粒狀磨料的大小，可分為毛（máo）坯表麵光（guāng）整加工技術和精密表麵光整加工技術。

      該技術可（kě）簡要概括為：由顆粒狀磨料和多功能磨液以及水組成磨具，磨具在料箱中做複雜的自由運動，將工件（jiàn）沉沒於磨具（jù）之中並強製其運動，工件和磨具之間以一定的相對速度（dù）和（hé）作用力發生摩擦、擠壓、刻劃和微量切削，以達到零件（jiàn）表麵質量的（de）提高，具體（tǐ）效果和特點包括：

      （1）能較全麵徹底地去除毛刺、鈍化尖（jiān）角銳（ruì）邊，對於複雜形狀（zhuàng）及大（dà）批量生產的零件效果尤佳。

      （2）粗糙度的數值可在原來的基（jī）礎上通過光整加工提高1個等級。

      （3）可大幅度提高表麵輪（lún）廓支承長度率Tp值（zhí），提高表麵耐磨性。

      （4）光整加工（gōng）表麵的（de）紋理呈現非連續無方向（xiàng）麻點細（xì）粒狀P形紋理，更利於儲（chǔ）油提高抗磨性。

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

      （6）光整加工對（duì）尺寸隻有微米（mǐ）級的影響（約減少1～3 mm），不改變前麵工序的尺寸（cùn）和形位精度。

      （7）提（tí）高零件的清（qīng）潔度，降低數值。

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

      綜合上述特點，光整加工可改善零件的裝配性，提高耐腐蝕性、抗（kàng）磨性和（hé）疲勞強度（dù），從而（ér）提高了曲軸的可靠性和使用壽命。圖3為滾磨光整後的（de）曲軸表麵。

      5．圓角滾壓

      曲軸的圓（yuán）角滾壓是利用滾（gǔn）輪的壓力作用（yòng），在曲軸的主軸頸和連杆（gǎn）頸（jǐng）過渡圓（yuán）角處（chù）形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點：

      （1）產（chǎn）生（shēng）殘餘壓應力，可與曲軸在（zài）工作時的拉應力抵消或部分抵（dǐ）消，從而提高曲軸的疲勞強度。

      （2）硬度提高（gāo）。滾壓使圓角處形成高硬度的致（zhì）密層，使曲軸的機械（xiè）強度和疲勞強度得到提（tí）高。

      （3）改善表（biǎo）麵粗（cū）糙度。圓角滾壓可使曲軸圓角表麵粗糙度達到Ra0.2以下，從而大大減小了圓角處的應力（lì）集中，提高了疲勞（láo）強（qiáng）度（dù）。

      根據統計資料：球鐵曲軸經圓角（jiǎo）滾壓後壽命可（kě）提高70%～150%，國外的數據顯示可達到200%以上。由此可見，采用圓角（jiǎo）滾壓強化工藝，可使大功率發動機曲軸采用球鐵（tiě）製造，從而代替鍛鋼曲軸，節約（yuē）加工成本和材（cái）料成本。圖4為圓角滾壓後的曲軸軸頸圓角形態。

      結（jié）語

      曲軸表麵強化處理方式較（jiào）多，一般有氮化處理、圓角噴丸、淬火處理、滾磨光整和圓角滾壓（yā）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角滾壓工（gōng）藝。