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分享:针阀体端面销孔开裂缘由分析及预防

时间: 2024-06-21 11:16:32 |   作者: 乐鱼网页

  摘 要:某18CrNi8钢制针阀体在进行可靠性试验时,运行10h即发生端面销孔开裂.通过宏 观检验、化学成分分析、扫描电镜分析、金相检验以及硬度测试等方法对销孔开裂的原因进行了分 析.根据结果得出:该针阀体销孔开裂模式为脆性断裂.由于热处理工艺不当,销孔表面碳势过高形成 了网状碳化物,不仅破坏了基体的连续性,还使得销孔部位成为高淬硬区,晶界被弱化,在内应力和 外加轴向应力作用下,裂纹萌生并继续扩展最后导致该销孔开裂.最后提出了相应的预防措施.

  中图分类号:TG162.8 文献标志码:B 文章编号:1001G4012(2019)12G0864G04

  燃油喷射装置是柴油机的“心脏”,由喷油泵和 喷油器 两 部 分 组 成. 针 阀 体 是 喷 油 器 的 关 键 部 件[1],服役时处于高温、高压、冲击、腐蚀等恶劣的条 件下,所以要求其具有高耐磨性、高硬度、良好的尺 寸稳定性以及较高的接触疲劳强度[2].长型针阀体 的中孔直径与孔深的比值大,喷孔孔径小,在热处理 时极易形成网状碳化物,导致其力学性能大幅度降低, 甚至会出现沿晶开裂失效[3].因此对针阀体的材料和 热处理工艺提出了很高的要求.

  某新装配完成的针阀体经发动机台架可靠性试 验运行10h后,于阀体端面销孔处出现开裂.该针 阀体 材 料 为 18CrNi8 钢,其 加 工 流 程 为:棒 料 下 料→内外腔表面车加工→渗碳→淬火→深冷时效处 理→回火→内外密封面超精加工.其中热处理工艺 为:900 ℃×4h固体渗碳→880 ℃×2.5h保温后 气淬→-100 ℃×0.5h深冷处理→180 ℃×4h回 火保温.

  该针阀体端面的宏观形貌如图1所示,其剖面 示意图如图2所示.由图1可见,两销孔裂纹附近 无明显塑性变形.图1中圆圈标注范围为针阀体端面与过渡块接触区域,经装配后过渡块向针阀体施 加的轴向压力约为30000N.

  使用MAXxLMM15型直读光谱仪对开裂针阀体进行化学成分分析,结果如表1所示,可见各元素 含量均符合企业技术方面的要求.

  使用蔡司SIGMA 型扫描电子显微镜(SEM)对 左、右销孔内侧和外侧的裂纹微观形貌进行观察. 由图3可见,两销孔附近均有裂纹产生,且裂纹向外 扩展至针阀体外圆面,向内未扩展至中心孔.

  销孔开裂处的断面 SEM 形貌如图4所示,可 见断口呈暗灰色,裂纹沿晶界扩展,为典型的沿晶断 裂特征.

  在针阀体左、右销孔裂纹横截面处截取金相试 样,经磨制、抛光后,采用体积分数为4%的硝酸酒 精溶液进行浸蚀,使用 NJFG120A 型光学显微镜观 察其显微组织形貌.左销孔附近的显微组织如图5 所示,可见 其 表 层 显 微 组 织 为 碳 化 物 + 残 余 奥 氏 体+针状马氏体,心部组织为低碳马氏体,且存在单个灰色的端部呈圆角的夹杂物,尺寸约为9.8μm; 右销孔附近 的 显 微 组 织 如 图 6 所 示,可 见 其 表 层 显微组织为 残 余 奥 氏 体 + 针 状 马 氏 体,碳 化 物 呈 网状及角状,心部组织为低碳马氏体,无非金属夹 杂物.

  该针阀体的显微组织应符合JB/T9730-2011 «柴油机喷油嘴偶件、柱塞偶件、出油阀偶件、金相检 验»的规定,即马氏体(细针状)和残余奥氏体(中等 含量)≤2级,碳化物(块状+颗粒状碳化物,弥散分 布)≤2级时合格.可见右销孔表层的网状及角状 碳化物不符合要求.

  使用402MVD型数字式显微硬度计测定针阀 体端面销孔的硬度,结果如表2所示.可见销孔的 硬度符合 GB/T4340.1-2009«金属材料 维氏硬度 试验 第1部分:试验方法»的技术方面的要求,但硬度值整 体偏高,换算后为61~62HRC.

  使用402MVD型数字式显微硬度计测量针阀 体 端 面 有 效 硬 化 层 深 度,结 果 为 0.49 mm/ 550HV1.可见该针阀体端面的有效硬化层深度符 合 GB/T9450-2005«钢件渗碳淬火硬化层深度的 测定和校核»规定的0.4~0.6mm/550HV1的技术 要 求. 通 过 测 量 可 得 销 孔 与 外 圆 间 壁 厚 约 为 0.55mm,说明整个销孔几乎被渗透.

  由上述分析结果可知,该针阀体销孔的化学成 分、硬度、有效硬化层深度均符合技术方面的要求.

  宏观及微观形貌分析表明,该销孔发生了脆性 断裂,裂纹起源于销孔外表面.销孔属于细盲孔,在 渗碳过程中若要保证中孔和端面渗碳层深度达到技 术要求,销孔表面的渗碳层就会过深,造成该部位碳 势偏高,出现角状及网状碳化物.碳化物硬而脆,是 脆性相[4G5],当碳化物数量增加且呈网状聚集时,表 面渗碳层的强度、接触疲劳强度及耐磨性会降低,而 脆性明显地增加,导致此处极易产生应力集中,形成裂 纹源.网状碳化物脆性大,与基体间的界面结合力 差,对基体的割裂作用明显,破坏了基体的连续性, 极大地削弱了晶界强度,造成材料脆化[6],裂纹易萌 生.此外,针阀体渗碳淬火时,由于端面销孔细小且 为盲孔,淬火介质难以形成对流,销孔处于半封闭状 态,其外表面冷却快,内孔冷却慢,会产生一定内应力[7].在装配过程中,销孔处还会受到较大的轴向 力.在上述应力综合作用下裂纹加速扩展,最终导 致销孔开裂.

  该针阀体销孔的开裂模式为脆性断裂,大量硬 而脆的网状碳化物的存在是引起销孔开裂的主要原 因;销孔本身属于细盲孔结构,渗碳不易控制,不合 理的热处理工艺极易形成网状碳化物,割裂基体,极 大地增加了组织脆性;淬火时的热应力、相变应力以 及销孔自身设计不合理也是导致销孔开裂的因素.

  在针阀体进行渗碳处理时,应降低渗碳碳势,避 免产生 网 状 碳 化 物,建 议 将 原 渗 碳 工 艺 中 碳 势 1.35%改为1.05%;采用对细孔、盲孔有利的真空渗 碳技术,有利于得到硬度梯度分布和碳含量分布比 较平缓的渗碳层,从而避免形成高淬硬区,降低应力 集中;改进加工工艺,对销孔渗碳后再进行机械加 工,去除部分渗碳层;增大销孔孔径至1.6mm 有利 于渗碳气氛流通,避免网状碳化物的形成;严格冷处 理及回火处理规范,适当延长回火时间,将原回火时 间改为6h,充分回火可减少自身内应力的影响.

  [1] 袁长军,刘宗昌.针阀体组织及常规使用的寿命的研究[J].热 处理技术与装备,2015,36(2):26G30.

  [2] 初江,齐国升,王勇.18CrNi8钢制针阀体热处理工艺 [J].金属热处理,2001,26(2):35G36.

  [3] 初江,齐国升,郑桂欣,等.18CrNi8针阀体真空脉冲渗 碳热处理[J].内燃机燃油喷射和控制,2000(4):41G43.

  [4] 卢金斌,张文勇,张太超,等.冷挤压模具开裂失效分 析[J].热加工工艺,2006,35(12):70G71.

  [5] 欧海龙,金林奎,邹文奇,等.H13钢注塑热流道喷嘴 断裂失效分析[J].理化检验(物理分册),2018,54(4): 276G279.

  [6] 焦丽,张上雄,陈德良,等.起动电机导向轴断裂原因 分析[J].热处理,2017,32(5):57G60.

  [ 7] 吴佳峻.18CrNiMo7G6钢齿轮轴开裂失效分析[J].理 化检验(物理分册),2017,53(9):671G674.