船用柴油机凸轮轴失效分析及复合喷丸强化处理

doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2025.04.045

金属热处理 ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (4): 290-295.DOI: 10.13251/j.issn.0254-6051.2025.04.045

船用柴油机凸轮轴失效分析及复合喷丸强化处理

姚亚俊^1,2, 吴心波^1,2, 罗长增^1,2,3, 李成艳^1,2, 徐得石^1,2, 姜传海⁴

1.潍柴动力股份有限公司, 山东潍坊 261061;
2.内燃机与动力系统全国重点实验室, 山东潍坊 261061;
3.南京航空航天大学材料科学与技术学院, 江苏南京 211106;
4.上海交通大学材料科学与工程学院, 上海 200240

收稿日期:2024-11-04 修回日期:2025-02-13 发布日期:2025-06-13
通讯作者: 罗长增,高级工程师,博士研究生,E-mail: luocz@weichai.com
作者简介:姚亚俊(1984—),女,工程师,硕士,主要研究方向为发动机零部件强化,E-mail: yaoyajun@weichai.com。
基金资助:
山东省重点研发计划(2024CXPT067)

Failure analysis of camshaft for marine diesel engines and composite shot peening strengthening treatment

Yao Yajun^1,2, Wu Xinbo^1,2, Luo Changzeng^1,2,3, Li Chengyan^1,2, Xu Deshi^1,2, Jiang Chuanhai⁴

1. Weichai Power Co., Ltd., Weifang Shandong 261061, China;
2. State Key Laboratory of Engine and Powertrain System, Weifang Shandong 261061, China;
3. College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 211106, China;
4. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Received:2024-11-04 Revised:2025-02-13 Published:2025-06-13

摘要/Abstract

摘要： 对某船用柴油机凸轮轴经耐久循环试验后凸轮桃尖剥落问题进行了失效分析,并给出了提高凸轮轴接触疲劳强度的复合喷丸强化方法。结果表明,凸轮轴的显微组织、硬度、淬硬层深度均处于正常范围,其失效原因为接触疲劳剥落。采用陶瓷丸0.15A+玻璃丸0.07A的复合喷丸处理后,凸轮表面残余压应力场分布均匀,表层残余压应力提升到1284 MPa、次表层残余压应力提升到1322 MPa,表层残留奥氏体含量降低到0.8%,表层硬度提升到971 HV0.05。这表明复合喷丸强化可有效解决凸轮轴接触疲劳剥落的问题。

关键词: 凸轮轴, 接触疲劳剥落, 复合喷丸, 残余应力, 硬度

Abstract: Failure analysis was conducted on the spalling problem of cam tip of a marine diesel engine camshaft after durability cycle testing, and a composite shot peening strengthening method was proposed to improve the contact fatigue strength of the camshaft. The results show the microstructure, hardness and hardened layer depth of the camshaft are all within the normal range, and the failure cause of the camshaft is contact fatigue spalling. After composite shot peening by using ceramic shot (0.15A)+glass shot (0.07A), the residual compressive stress distribution on the cam surface is uniform. The residual compressive stress in the surface layer is increased to 1284 MPa, and that in the subsurface layer is increased to 1322 MPa. The retained austenite content in the surface layer is reduced to 0.8%, and the surface hardness is increased to 971 HV0.05. This indicates that the composite shot peening strengthening can effectively solve the problem of contact fatigue spalling of the camshaft.

Key words: camshaft, contact fatigue spalling, composite shot peening, residual stress, hardness

中图分类号:

TG146.1

姚亚俊, 吴心波, 罗长增, 李成艳, 徐得石, 姜传海. 船用柴油机凸轮轴失效分析及复合喷丸强化处理[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 290-295.

Yao Yajun, Wu Xinbo, Luo Changzeng, Li Chengyan, Xu Deshi, Jiang Chuanhai. Failure analysis of camshaft for marine diesel engines and composite shot peening strengthening treatment[J]. Heat Treatment of Metals, 2025, 50(4): 290-295.

参考文献

[1] 郝军清, 李春胜, 王延松. 新材料新工艺在凸轮轴生产中的应用[J]. 内燃机与动力装置, 2006(6): 38-40.
Hao Junqing, Li Chunsheng, Wang Yansong. The application of new material and new technique in the production of camshaft[J]. Internal Combustion Engine and Powerplant, 2006(6): 38-40.
[2] 马梦阳, 李小强, 赖福强, 等. 表面超声滚压加工对配气机构凸轮轴材料滚动接触疲劳性能的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2020, 51(9): 2430-2441.
Ma Mengyang, Li Xiaoqiang, Lai Fuqiang, et al. Effect of surface ultrasonic rolling processing on rolling contact fatigue performance of camshaft material of valve train[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2020, 51(9): 2430-2441.
[3] 罗长增, 白忠坤, 王志超, 等. 正火工艺对Cf53钢制凸轮轴力学性能的影响[J]. 金属加工(热加工), 2021(3): 81-82.
Luo Changzeng, Bai Zhongkun, Wang Zhichao, et al. Effect of normalizing process on mechanical properties of Cf53 steel camshaft[J]. MW Metal Forming, 2021(3): 81-82.
[4] Li Gang, Qu Shengguan, Pan Yuxiang, et al. Influence of oxidation temperature and exposure time on surface and tribological properties of Ti-6Al-4V alloy after surface rolling[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2017, 26(7): 3489-3499.
[5] Sciammarella C A, Chen R J S, Gallo P, et al. Experimental evaluation of rolling contact fatigue in railroad wheels[J]. International Journal of Fatigue, 2016, 91: 158-170.
[6] 姜传海. 喷丸强化技术在关键零部件中的应用[J]. 中国表面工程, 2016, 29(4): 封2.
[7] 朱晨, 姜传海. 17Cr2Ni2Mo钢的表面复合喷丸强化[J]. 机械工程材料, 2011, 35(9): 98-99.
Zhu Chen, Jiang Chuanhai. Composite shot peening of 17Cr2Ni2Mo steel surface[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2011, 35(9): 98-99.
[8] 赵志强, 王根全, 张利敏, 等. 42CrMoA钢的单次喷丸和复合喷丸强化[J]. 机械工程材料, 2020, 44(6): 59-61.
Zhao Zhiqiang, Wang Genquan, Zhang Limin, et al. Single shot peening and composite shot peening for 42CrMoA steel[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2020, 44(6): 59-61.
[9] 陈艳华, 须庆, 姜传海, 等. DD3镍基单晶高温合金喷丸层残余应力的X射线衍射分析[J]. 机械工程材料, 2012, 36(3): 76-78.Chen Yanhua, Xu Qing, Jiang Chuanhai, et al. X-ray diffraction analysis for residual stress in shot peened layer of DD3 nickel-based single crystal high temperature alloy[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2012, 36(3): 76-78.
[10] 牛童, 王昕宇, 吴晓春. 喷丸工艺对4Cr5Mo2V钢表面性能与磨损行为的影响[J]. 金属热处理, 2023, 48(12): 153-159.
Niu Tong, Wang Xinyu, Wu Xiaochun. Effect of shot peening process on surface properties and wear behavior of 4Cr5Mo2V steel[J]. Heat Treatment of Metals, 2023, 48(12): 153-159.
[11] 蔡雨晴, 胡雄风, 屈盛官, 等. 喷丸强化对CF53钢摩擦磨损性能的影响[J]. 机械工程材料, 2021, 45(5): 27-33.
Cai Yuqing, Hu Xiongfeng, Qu Shengguan, et al. Effect of shot peening on friction and wear properties of CF53 steel[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2021, 45(5): 27-33.

[1]	白莉, 刘蒙恩, 王方丽, 彭莉. 热处理对Fe₃₅Mn₃₅Ni₁₀Cr₁₀Al₁₀高熵合金显微组织和硬度的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 34-39.
[2]	陈立, 高建文, 张可, 魏宏宇, 张明亚. 新型低合金铁素体低温钢的连续冷却转变行为[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 95-100.
[3]	孙希庆, 刘全彬, 李秋魁, 杨波, 李春诚. V(C, N)在钒微合金钢中析出行为的热力学计算与试验分析[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 101-105.
[4]	杨罡正亮, 曹铁山, 王威, 李萍, 赵杰. 长期时效对DZ411合金组织与硬度的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 128-133.
[5]	张丛睿, 刘涛, 赵帆, 丁一, 刘新华. 退火温度和时间对铜铝复合材料组织与性能的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 193-199.
[6]	曹萍, 王国波, 陈登武, 苏诚. 热处理对RAFM钢挤压管组织和力学性能的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 207-212.
[7]	俞翔, 袁秦峰, 陈岩, 刘涛. 退火处理对近α型TA15钛合金组织和硬度的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 241-246.
[8]	李海宏, 朱留平, 庞学东, 孙勇, 迟宏宵, 谷金波. Cr-Co-Mo轴承钢的渗碳层组织及摩擦磨损性能[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 264-269.
[9]	郭浩, 李志龙, 王彪, 尚勇, 杨栋才, 王花. 回火温度对高碳H13钢渗碳层组织及硬度的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 277-282.
[10]	王强, 吕心如, 孙志豪, 李静, 王洪涛. 表面机械滚压处理对2024铝合金表面粗糙度及性能的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 282-289.
[11]	于宝义, 马洪迪, 郑黎. 激光辅助冷喷涂制备SiC-316复合涂层的组织与性能[J]. 金属热处理, 2025, 50(4): 295-301.
[12]	兖利鹏, 孙瑞雪, 马秉馨, 付靖, 苏光, 李全安, 郑鸿江. 时效处理对热挤压态Mg-Gd-Y-Sm-Zr合金组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(3): 9-15.
[13]	王广, 殷天青, 孙亚松, 王鑫, 柯汉章, 奚邱炎, 郝琛, 李子洲. 淬火温度对403马氏体不锈钢组织及硬度的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(3): 57-63.
[14]	孙江波, 段路昭, 任帅, 孙彩凤, 高志新, 彭飞. 热处理工艺对20CrMoH钢齿轮锻件组织和硬度的影响[J]. 金属热处理, 2025, 50(3): 143-146.
[15]	张志兴, 王海龙, 文辉, 刘建, 田宾华, 胡林泉. 钎具钢23CrNi3MoA的静态CCT曲线测定与退火工艺[J]. 金属热处理, 2025, 50(3): 232-236.

船用柴油机凸轮轴失效分析及复合喷丸强化处理

Failure analysis of camshaft for marine diesel engines and composite shot peening strengthening treatment

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价