柴油機(jī)高壓噴油器緊帽開裂失效分析

曾光宇，陳卓，汪宏斌

（上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

引言

噴油器的主要作用是將高壓燃油霧化，以利于柴油的充分燃燒。若噴油器出現(xiàn)故障，不僅會(huì)影響柴油機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，更有可能直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，提高噴油器的質(zhì)量，緊帽起到關(guān)鍵性作用[1]。在噴油器時(shí)效性分析研究中，專家學(xué)者作出了諸多貢獻(xiàn)，唐霞等[2]應(yīng)用有限元方法對(duì)噴油器體密封端面開裂處進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)其兩進(jìn)油孔處應(yīng)力超出標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)工藝后的噴油器總成性能檢測合格。劉顯宏[3]指出發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中，噴油器與氣缸蓋存在干涉。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),噴油器與氣缸蓋之間的接觸應(yīng)力增大，引起氣缸蓋噴油器孔開裂。于娜紅[4]分析針閥體肩胛倒角處組織過熱，且存在易成為裂紋起始點(diǎn)的機(jī)加工缺陷，導(dǎo)致其在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生疲勞開裂。何靜等[5]指出針閥體是在較高的壓力波動(dòng)疲勞載荷條件下,顯微裂紋從進(jìn)油道與中孔之間下部尖角處起始并快速擴(kuò)展導(dǎo)致沿晶疲勞開裂,針閥體滲碳層顯微硬度過高是開裂的主要原因。

本文以DL 噴油器緊帽為研究對(duì)象，通過研究緊帽在服役前的異常開裂現(xiàn)象，分析了導(dǎo)致開裂的影響因素。并根據(jù)影響因素提出了改善方案，通過對(duì)比得出最佳方案，最終排除了導(dǎo)致柴油機(jī)高壓噴油器緊帽開裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 柴油機(jī)高壓噴油器緊帽的現(xiàn)狀

本文以噴油器緊帽作為研究對(duì)象，材質(zhì)為38SMn28含硫中碳易切削鋼。圖1 為噴油器總成圖片，緊帽位于圖片左端。

圖1 噴油器總成外觀

其完整的制造工藝主要包括五個(gè)階段。首先是棒材的來料檢驗(yàn)后進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行真空淬火（850±10）℃和油冷（70±10）℃；接著清洗后進(jìn)行真空回火（420±10）℃；回火之后進(jìn)行精加工；加工完成后進(jìn)行鋅磷化處理最后檢驗(yàn)裝配。為了避免噴油嘴的損壞影響到霧化效果，緊帽的擰緊力一直有著比較高的要求。本次研究的緊帽在裝配過程中發(fā)生了開裂，為了找出其開裂的原因，防止今后再次發(fā)生，作者對(duì)失效緊帽進(jìn)行了開裂失效分析，并提出了改進(jìn)措施。為柴油機(jī)高壓噴油器緊帽開裂失效分析提供借鑒。

2 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

2.1 斷口宏觀形貌分析

圖2為裝配車間自動(dòng)安裝時(shí)發(fā)生開裂的異常緊帽。由圖可見緊帽沿軸向存在一條貫穿裂紋，裂紋長度約為35 mm。裂紋形貌在靠近冒口處較寬，并向底部逐漸收窄?？拷翱诘姆锹菁y處裂紋比較平直，遠(yuǎn)離冒口的螺紋處裂紋呈鋸齒狀。

圖2 開裂異常品緊帽外觀

如圖3 所示，將裂紋打開后觀察，近冒口處的螺紋牙底部存在白色物質(zhì)。將整個(gè)斷口分為兩個(gè)區(qū)，A 區(qū)靠近冒口處裂紋呈平直狀；其余斷口為B區(qū)，斷口呈木紋狀。根據(jù)近冒口處的斷口低倍形貌圖，發(fā)現(xiàn)A 處斷口為結(jié)晶狀斷口，呈梯形分布，外表面較寬；B 區(qū)斷口表面存在白色覆蓋物，該覆蓋物與牙底部位的白色物質(zhì)一致。因此可以判斷失效件裂紋沿軸向擴(kuò)展，由冒口向底部傳遞。

圖3 開裂樣品切面部位示意圖

2.2 成分分析

按 照GB/T 4336-2016、GB/T 20123-2006 和GB/T 20125-2006 對(duì)失效件進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 失效緊帽樣品II 的化學(xué)成分分析

根據(jù)材料規(guī)范判斷，失效件的化學(xué)成分符合38SMn28 的要求。

2.3 斷口分析

從斷口分析可知，近帽口處的A 區(qū)斷口的微觀特征為沿晶[6,7]，其余斷口的微觀特征為韌窩[8]；金屬學(xué)理論通常認(rèn)為晶界是強(qiáng)化的因素，即晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，只有在晶界被弱化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生沿晶斷裂，結(jié)合裂紋形貌進(jìn)行分析，A 區(qū)為首先開裂區(qū)，由于A 區(qū)發(fā)生開裂，在應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致B 區(qū)發(fā)生韌性開裂。

通過對(duì)樣品的低倍形貌觀察，發(fā)現(xiàn)靠近樣品表面的A 區(qū)斷口上存在較多的覆蓋物，B 區(qū)斷口和近中心部位的A 區(qū)斷口較潔凈。A 區(qū)斷口的微觀特征為沿晶，部分晶界面上存在微孔特征，A 區(qū)斷口表面上可觀察到條狀?yuàn)A雜物，靠近樣品表面的斷口上存在覆蓋層。圖4 為A區(qū)與B 區(qū)斷口交界處高倍形貌，右上方為A 區(qū)斷口，左下方為B 區(qū)斷口，該處斷口較潔凈。如圖5 所示，A 區(qū)斷口微觀特征為沿晶，部分晶界面上存在微孔；斷口表面存在條狀?yuàn)A雜物。B 區(qū)斷口高倍形貌顯微溝槽平行排列，每一個(gè)溝槽內(nèi)都有一條夾雜物；該處斷口的微觀特征為韌窩。近緊帽中間部位（變徑處）的B 區(qū)斷口的微觀特征為韌窩，顯微溝槽平行排列，部分夾雜物較粗大。因此可以判定A 區(qū)為沿晶斷口；B 區(qū)為韌窩斷口。

圖4 A 區(qū)與B 區(qū)斷口交界處高倍形貌

圖5 A 區(qū)斷口高倍形貌

2.4 能譜及元素分布分析

對(duì)失效件外表面及A 區(qū)斷口分別進(jìn)行能譜分析，失效件外表面能譜分析結(jié)果見圖6（a），A 區(qū)斷口（近外表面處，該處斷口表面存在覆蓋層）能譜分析結(jié)果見圖6（b）。從能譜分析結(jié)果可知，失效件外表面除含有鋅磷化處理的主要元素（Zn 和P）外，還含有一定量的Cl腐蝕性元素；近外表面處的A 區(qū)斷口上未見Zn 和P 元素，但存在一定量的Cl 腐蝕性元素；外表面下方潔凈處的A區(qū)斷口未見Zn、P 和Cl 等元素。

圖6 失效件外表面能譜分析結(jié)果

能譜分析結(jié)果表明，失效件外表面除含有鋅磷化處理的主要元素（Zn 和P）外，還含有一定量的Cl 腐蝕性元素；A 區(qū)斷口上未見Zn 和P 元素，但在近外表面處（A區(qū)斷口）存在一定量的Cl 腐蝕性元素。

通過對(duì)開裂品做元素分布分析，得到EDS 掃描分布圖像（圖7）。從圖中可以判斷，失效緊帽內(nèi)外側(cè)都分布有線狀錳和硫[9-12]，且在螺紋附近的外側(cè)觀察到分布有線狀錳和硫。因此，通過觀察開裂工件錳和硫的線狀分布[13]，認(rèn)為工件有易于從縱向裂開的傾向，進(jìn)而導(dǎo)致工件的開裂。

圖7 開裂品中Mn 和S 元素的分布

2.5 金相分析

分別從A 區(qū)斷口和B 區(qū)斷口取垂直于斷口方向的剖面試樣進(jìn)行金相分析，試樣按照GB/T 13298-2015 進(jìn)行制備，隨后在光學(xué)顯微鏡下觀察，獲得樣品的磷化結(jié)晶照片及組織成分。通過圖8 可以發(fā)現(xiàn)，失效件與正常品的磷化結(jié)晶相似，沒有明顯差異。因此磷化皮膜屬于相同等級(jí)。

通過將樣品I 和樣品II 進(jìn)行拋光觀察，并對(duì)A 區(qū)和B 區(qū)的顯微組織進(jìn)行對(duì)比?？梢钥匆娏蚧锓植驾^均勻；A 區(qū)斷口處的顯微組織為回火托氏體，如圖9（a）；近斷口處的夾雜物分布和顯微組織均未見異常。B 區(qū)斷口硫化物分布同樣較均勻；顯微組織為回火托氏體，見圖8（b）。近斷口處的夾雜物分布和顯微組織均未見異常。同時(shí)發(fā)現(xiàn)基體縱向剖面上存在較多的硫化物夾雜，部分硫化物較粗大，未見嚴(yán)重的B、C、D 類夾雜物；其顯微組織為回火托氏體[9]。

圖8 開裂品和良品的磷化結(jié)晶

圖9 A 區(qū)和B 區(qū)的顯微組織

2.6 硬度分析

按照GB/T 4340.1-2009 對(duì)近斷口處和基體分別進(jìn)行維氏硬度測試，測試結(jié)果見表2。從表2 中可看出，正常緊帽與失效緊帽的A 區(qū)、B 區(qū)硬度一致，沒有明顯區(qū)別。因此熱處理工藝及組織特征不存在差異。

表2 硬度測試結(jié)果

3 開裂原因分析

經(jīng)過一系列的分析，從宏觀、斷口、成分、元素分布、金相及硬度等方面對(duì)失效工件進(jìn)行了分析。失效件與正常品在成分上、微觀結(jié)構(gòu)上、硫化物形態(tài)以及力學(xué)性能上沒有明顯差異。磷化結(jié)晶也基本一致，因此材質(zhì)本身的差異較小。

結(jié)合失效件的制造工藝可推斷，最有可能出現(xiàn)沿晶開裂或?qū)е潞笃诎l(fā)生沿晶開裂的階段是熱處理淬火冷卻時(shí)和磷化處理過程中，如果是淬火冷卻時(shí)發(fā)生開裂，那么在斷口處會(huì)檢測到Zn 和P 元素（鋅磷化處理的主要元素），但是從能譜分析結(jié)果可知，沿晶斷口上未檢測到Zn 和P 元素，由此可以排除緊帽在熱處理淬火冷卻時(shí)發(fā)生沿晶開裂的可能。緊帽在磷化過程中可能存在氫的滲入，組裝后在靜拉應(yīng)力的作用下，帽口處發(fā)生氫脆開裂，進(jìn)而導(dǎo)致緊帽開裂失效。另外，通過對(duì)微觀組織形態(tài)的研究，觀察到了較為粗大的錳元素和硫元素的分布，這樣的形態(tài)有一定沿工件軸向開裂的傾向。

4 結(jié)論與措施

綜上所述，導(dǎo)致緊帽失效是由于兩個(gè)因素的疊加導(dǎo)致的結(jié)果。首先是粗大的線狀硫、錳化合物組織導(dǎo)致緊帽有開裂傾向；當(dāng)緊帽在磷化過程中的進(jìn)行酸洗的時(shí)候，誘發(fā)了氫脆導(dǎo)致沿晶斷裂。對(duì)于本文所研究的緊帽失效案例，有兩個(gè)改善建議：①磷化工藝中不再使用酸洗工藝，或在磷化工藝的最后增加去氫工藝；②線材的選擇上增加組織形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，盡可能選擇球形或紡錘形等有助于鋼材切削性能的硫、錳化合物分布的材料。后續(xù)的改善情況還需要在實(shí)際生產(chǎn)匯總進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中的可操作性及生產(chǎn)效率，最優(yōu)的改善方案是將易切削鋼中的硫、錳化合物形態(tài)制定為棒材來料檢測的標(biāo)準(zhǔn)之一，并在后續(xù)磷化過程匯總嚴(yán)格要求控制酸洗時(shí)間并通過去氫工藝來規(guī)避導(dǎo)致失效的風(fēng)險(xiǎn)因素。