發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器開(kāi)裂失效分析

葉楓，孫峰，李立國(guó)，盧洪英，2

1.義烏吉利動(dòng)力總成有限公司 浙江義烏 322000

2.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江寧波 315000

1 序言

噴油器是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，其作用主要是將燃油霧化后噴入燃油室內(nèi)，起到幫助發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的目的，同時(shí)又要求其具備抗污染能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)流量范圍大、霧化性能及抗堵塞性能好等特性，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部屬于一種高精密的零部件。噴油器通過(guò)密封圈安裝在進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣道附近的缸蓋上，接收到來(lái)自ECU的噴油脈沖信號(hào)后將電磁閥接通，使燃油噴射量得到精確控制；發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)對(duì)噴油器的噴霧特性要求極高，主要表現(xiàn)在擴(kuò)散錐角、油束方向、霧化粒度、射程及油霧分布等方面，以便使混合氣形成且燃燒完善，從而獲得較高的功率和熱效率[1]。

2020年3月，某故障發(fā)動(dòng)機(jī)在拆機(jī)之后，發(fā)現(xiàn)噴油器在使用過(guò)程中有汽油泄漏現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用噴油器進(jìn)行失效分析，通過(guò)檢測(cè)與分析，確定噴油器泄漏產(chǎn)生位置及原因，測(cè)試項(xiàng)目主要包括化學(xué)成分分析、金相測(cè)試、宏觀檢測(cè)與SEM分析、SEM-EDS分析等，研究其產(chǎn)生故障的特征、規(guī)律及原因，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)、使用或維修中采取有針對(duì)性的改進(jìn)和預(yù)防措施提供理論依據(jù)，以防止同類(lèi)故障再次發(fā)生[2]。

圖1 失效噴油器實(shí)物

2 測(cè)試與分析

2.1 宏觀檢測(cè)與SEM分析

采用體視顯微鏡、3D顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)失效噴油器中VB管體及其斷口進(jìn)行形貌觀察，測(cè)試結(jié)果如圖2～圖9所示。

圖9 Ⅲ區(qū)SEM照片（木紋層狀斷口，1000×）

圖2所示為失效噴油器中VB管的實(shí)物及宏觀形貌，從中可以很明顯地觀察到，該區(qū)域存在一長(zhǎng)度約5.732mm的縱向裂紋，且裂紋中部在管體表面弧形突變區(qū)域較深，且有黃色銹跡，而裂紋端部?jī)蓚?cè)較淺，可推測(cè)該裂紋可能由中間管體表面弧形突變區(qū)域向兩端擴(kuò)展[3]。

圖2 失效噴油器VB管體宏觀形貌（6.4×）

圖3所示為裂紋中心區(qū)域的SEM照片，該位置管體表面覆蓋著較多的腐蝕物，沿著裂紋紋路對(duì)其進(jìn)行拆解后，使用掃描電子顯微鏡對(duì)其斷口1表面的形貌進(jìn)行拍照分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，其VB管內(nèi)無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖3 斷口1的SEM照片（140×）

圖5～圖7所示為圖4中Ⅰ～Ⅲ區(qū)相關(guān)位置的SEM照片，其中Ⅰ區(qū)又分為A～D區(qū)（見(jiàn)圖5）。從圖中可以看出，該斷口Ⅰ區(qū)中有清晰的深色表面覆蓋物，特別是A區(qū)和B區(qū)中的腐蝕產(chǎn)物為泥紋花樣特征，屬于典型的腐蝕產(chǎn)物形貌，同時(shí)，A區(qū)表面還觀察到一處較深的腐蝕坑，通過(guò)丙酮超聲波清洗后自腐蝕坑附近管體外表面觀察到解理斷裂；C區(qū)和D區(qū)主要呈解理斷裂特征現(xiàn)象，且依據(jù)解理形貌的放射線走勢(shì)可推斷該斷口的斷裂源為Ⅰ區(qū)的A區(qū)、B區(qū)；此外其他斷口表面Ⅱ區(qū)表現(xiàn)為解理斷裂，Ⅲ區(qū)還觀察到木紋層狀斷口特征現(xiàn)象。

圖4 VB管體開(kāi)裂處拆解后斷口1宏觀形貌（11×）

圖5 Ⅰ區(qū)SEM照片（90×）

圖6 A區(qū)的SEM照片（清洗前，400×）

圖7 A區(qū)的SEM照片

圖8 C區(qū)和D區(qū)SEM照片（270×）

2.2 SEM-EDS分析

為進(jìn)一步分析VB管開(kāi)裂處及其斷口表面的化學(xué)成分，將其置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，采用能譜儀對(duì)VB管體表面開(kāi)裂中間區(qū)域、生銹區(qū)域和非裂紋生銹區(qū)域（見(jiàn)圖4中Ⅰ～Ⅲ區(qū)）以及斷口表面斷裂源及附近分別進(jìn)行材質(zhì)成分元素定性及半定量分析。由測(cè)試結(jié)果可知，失效VB管開(kāi)裂中心弧形突變區(qū)位置和生銹區(qū)位置的腐蝕產(chǎn)物除O元素外，還檢測(cè)到腐蝕性Cl元素，同時(shí)在斷裂源區(qū)域也檢測(cè)到O、Cl元素，而非裂紋非生銹區(qū)域及C區(qū)（見(jiàn)圖5）未檢測(cè)到明顯腐蝕性元素（見(jiàn)表1）。

表1 失效VB管EDS圖譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

眾所周知，雖然氯離子半徑很小，但穿透能力卻很強(qiáng)，氧化膜內(nèi)極小的空隙均可輕松穿越到達(dá)金屬表面，并在金屬表面將氧排除掉，進(jìn)一步形成可溶性物質(zhì)，從而加速了腐蝕的產(chǎn)生。

2.3 化學(xué)成分分析

噴油器內(nèi)VB管材的材質(zhì)為DIN EN 10088-3—2014中X6CrMoS17（DIN 1.4105）不銹鋼；其原材料是棒料，經(jīng)機(jī)加工成形，不涉及熱處理。采用耦合等離子體發(fā)射光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀對(duì)失效VB管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2，符合技術(shù)要求。

表2 失效VB管化學(xué)成分分析結(jié)果 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.4 金相分析

在失效VB管體的開(kāi)裂附近制取縱向金相試樣，依次進(jìn)行鑲嵌、磨拋、腐蝕，然后使用金相顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出，VB管的金相組織為鐵素體＋條狀硫化物，晶粒度為7.5級(jí)。

圖10 VB管縱向金相形貌（500×）

3 分析與討論

宏觀檢測(cè)顯示，失效VB管體表面存在一長(zhǎng)度約5.732mm的縱向裂紋。裂紋中部在管體表面弧形突變區(qū)域較深，且有黃色銹跡，而裂紋端部?jī)蓚?cè)較淺，因此可推測(cè)該裂紋是由中間管體表面弧形突變區(qū)域向兩端擴(kuò)展。將裂紋打開(kāi)后VB管內(nèi)表面未觀察到明顯腐蝕現(xiàn)象，而斷口表面Ⅰ區(qū)（弧形突變區(qū)域）覆蓋有黃色腐蝕產(chǎn)物。

SEM微觀分析表明，斷口表面Ⅰ區(qū)中的A、B區(qū)（弧形突變區(qū)周?chē)┍砻娓采w的腐蝕產(chǎn)物，呈泥紋花樣特征，屬典型的腐蝕產(chǎn)物形貌；同時(shí)，A區(qū)表面還觀察到一處明顯的腐蝕坑，采用丙酮超聲波清洗后，在腐蝕坑附近靠管體外表面觀察到解理斷裂；C區(qū)主要呈現(xiàn)解理斷裂特征，且根據(jù)解理形貌的放射線走勢(shì)可推測(cè)該斷口的斷裂源為Ⅰ區(qū)的A區(qū)、B區(qū)。此外，在Ⅲ區(qū)觀察到木紋層狀斷口特征。VB管裂紋斷面呈解理特征，可能與該管成形時(shí)管材的晶粒中一定的晶面和晶向沿縱向分布有關(guān)，此時(shí)晶面間的作用力被削弱，從而腐蝕裂紋容易在該晶面過(guò)解理面形成并擴(kuò)展，硫化物沿著晶粒分布進(jìn)一步削弱了晶間的作用力[4]。

綜上所述，噴油器中VB管的斷裂源是弧形突變位置的近外面區(qū)域，然后橫向往管內(nèi)并縱向往兩側(cè)擴(kuò)展。裂紋源上的腐蝕坑，其表面上有呈泥紋花樣特征的腐蝕產(chǎn)物，能譜分析顯示該區(qū)域存在材質(zhì)應(yīng)力腐蝕敏感元素Cl，可以推斷在含Cl介質(zhì)中材料容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕，腐蝕由此處深入到材料的內(nèi)部，并在內(nèi)部快速擴(kuò)散形成一個(gè)腐蝕腔，當(dāng)腐蝕擴(kuò)展到一定程度時(shí)，在管壁受內(nèi)部油壓沖擊作用下導(dǎo)致載荷開(kāi)裂。斷口微觀上主要是解理斷裂特征，且VB管與內(nèi)部PP管是過(guò)盈配合[5]，周向殘余拉應(yīng)力存在于外表面弧形突變區(qū)域。通過(guò)以上分析，可以明確VB管開(kāi)裂的性質(zhì)，屬于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)噴油器總成開(kāi)裂進(jìn)行失效分析，可以得出如下結(jié)論。

1）失效噴油管中V B管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 10088-3—2014中X6CrMoS17（DIN 1.4105）不銹鋼的技術(shù)要求。

2）金相分析顯示，材料中VB管的金相組織為鐵素體＋條形硫化物，晶粒度為7.5級(jí)。

3）噴油器中VB管的斷裂源是弧形突變位置的近外表面區(qū)域，然后橫向往管內(nèi)、縱向往兩側(cè)擴(kuò)展。

4）含Cl元素液體介質(zhì)對(duì)耐晶間腐蝕及點(diǎn)腐蝕能力影響極大，在生產(chǎn)制造、維護(hù)和使用過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格避免含Cl介質(zhì)的引入。

5）應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是導(dǎo)致噴油器VB管開(kāi)裂的主要原因。