摘 要:某高壓燃油泵溢油閥在服役過(guò)程中發(fā)生斷裂,通過(guò)尺寸設(shè)計(jì)與原材料選用分析、化學(xué)成 分分析、斷口分析、金相分析、有效硬化層深度測(cè)試、硬度測(cè)試、鍍鋅層厚度測(cè)試、孔徑尺寸測(cè)試等方 法對(duì)溢油閥斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該溢油閥失效模式屬于氫脆延遲斷裂.溢油閥表面 滲碳淬火處理導(dǎo)致其硬度偏高,氫脆敏感性增強(qiáng);酸洗鍍鋅過(guò)程中由于未進(jìn)行脫氫處理,導(dǎo)致溢油 閥表面發(fā)生氫聚集,最終在安裝應(yīng)力和氫的共同作用下發(fā)生氫脆斷裂.最后針對(duì)溢油閥斷裂原因 提出了預(yù)防措施.
關(guān)鍵詞:高壓燃油泵;溢油閥;斷裂;氫脆
中圖分類號(hào):TH３３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００４８Ｇ０４
溢油閥是柴油機(jī)燃料噴射系統(tǒng)直列式燃油泵的 重要零部件,是由閥體、閥芯、彈簧、調(diào)節(jié)螺釘組成的 多級(jí)機(jī)械閥,具有定壓溢流、穩(wěn)壓、系統(tǒng)卸荷和安全 保護(hù)等作用.溢油閥的調(diào)節(jié)螺釘連接高壓燃油泵及 發(fā)動(dòng)機(jī)的回油管路,通過(guò)與彈簧共同作用來(lái)調(diào)節(jié)、控 制高壓燃油泵出油壓力,對(duì)于保持高壓燃油泵潤(rùn)滑 和回油正常至關(guān)重要.溢油閥一旦斷裂會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng) 機(jī)難以啟動(dòng)并存在柴油泄漏等風(fēng)險(xiǎn).
國(guó)內(nèi)某發(fā)動(dòng)機(jī)廠家生產(chǎn)的溢油閥裝機(jī)后在服役 過(guò)程中發(fā)生斷裂,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失.溢油閥的材 料為２０鋼,其生產(chǎn)工藝如下:熱軋棒料下料→精車溢 油閥體外圓→鉆溢油閥體孔→車六角→鉆橫孔去毛 刺→攻絲→滲碳→熱處理(淬火＋低溫回火)→酸 洗→鍍鋅處理→精磨,其中熱處理工藝如圖１所示.
為查明溢油閥斷裂失效的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行 了理化檢驗(yàn)和分析,并提出了改進(jìn)措施
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 宏觀觀察
經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn),溢油閥斷成兩段,如圖２所示.
斷裂位置位于閥體上兩個(gè)出油孔處,如圖３所示.
１．２ 化學(xué)成分分析
對(duì)溢油閥出油孔處取樣,使用 MAXxLMM１５ 型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析.由表 １ 可以看 出,溢油閥的化學(xué)成分符合 GB/T６９９－２０１５«優(yōu)質(zhì) 碳素結(jié)構(gòu)鋼»的技術(shù)要求.
１．３ 斷口分析
溢油閥的斷口宏觀形貌如圖４所示,可見(jiàn)斷口 潔凈平齊,呈脆性斷裂特征,無(wú)氧化、腐蝕物及污染 痕跡,斷面無(wú)明顯塑性變形.在 SIGMA 型掃描電 鏡(SEM)下觀察斷口的微觀形貌,如圖５所示,沒(méi) 有發(fā)現(xiàn)任何冶金缺陷和加工缺陷,斷口表面滲碳區(qū) 呈沿晶脆性斷裂特征,晶面上呈“雞爪紋”氫脆斷口 特征,斷口心部呈韌窩狀韌性斷裂特征.
使用 LECOTCH６００型氮?dú)溲趼?lián)合測(cè)定儀對(duì)斷 裂溢油閥和同批次溢油閥以及原材料２０鋼進(jìn)行氫 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定,結(jié)果分別為１．５２×１０－５％,２．４× １０－６％,０．６×１０－６％,可見(jiàn)斷裂溢油閥的氫含量遠(yuǎn) 大于同批次溢油閥和原材料２０鋼中的氫含量.
１．４ 金相檢驗(yàn)
垂直溢油閥斷口沿縱向截取金相試樣,打磨、拋 光后采用體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒精溶液浸蝕,在 NJFＧ１２０A 型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織.由圖６ 可見(jiàn),溢油閥斷口表面顯微組織為細(xì)針狀高碳馬氏體＋少量奧氏體,溢油閥心部顯微組織為低碳馬氏 體＋少量殘余奧氏體.
１．５ 有效硬化層深度測(cè)試
使用４０２MVD型顯微硬度計(jì)對(duì)溢油閥表面進(jìn)行 有效硬化層深度測(cè)試,結(jié)果為０．３３mm/５５０HV３,滿 足 GB/T９４５０－２００５«鋼件滲碳淬火硬化層深度的 測(cè)定與校核»規(guī)定的０．２~０．４mm 的技術(shù)要求.
１．６ 硬度測(cè)試
使用４０２MVD型顯微硬度計(jì)在距溢油閥表面 ０．１mm 處進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表２,可見(jiàn)溢油閥 硬度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求.
１．７ 鍍鋅層厚度測(cè)試
使用 TT２７０型鍍鋅層測(cè)厚儀對(duì)溢油閥鍍鋅層 厚度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表３,可見(jiàn)溢油閥鍍鋅層厚度 符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求.
１．８ 孔徑尺寸測(cè)量
由于溢油閥橫孔處已斷裂,從庫(kù)存件中隨機(jī)抽 取同批次５個(gè)溢油閥(分別編號(hào)為１~５號(hào)),使用 AECＧ３０００型氣動(dòng)量?jī)x對(duì)其橫孔孔徑進(jìn)行測(cè)量.結(jié) 果如表４所示,可見(jiàn)溢油閥橫孔孔徑滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 的技術(shù)要求.
２ 分析與討論
２．１ 影響因素分析
首先對(duì)可能造成溢油閥斷裂失效的因素進(jìn)行了 梳 理和歸納,如圖７所示,可見(jiàn)尺寸設(shè)計(jì)、原材料選用、機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)、熱處理工藝設(shè)計(jì)、表面處理工 藝設(shè)計(jì)不合理以及橫孔孔徑過(guò)大、硬度和硬化層超 差、化學(xué)成分不符合要求、擰緊扭矩過(guò)大均有可能造 成溢油閥斷裂.
２．２ 尺寸設(shè)計(jì)與選材分析
按照溢油閥的設(shè)計(jì)尺寸建立模型進(jìn)行有限元分 析,加載扭矩為３９N??m.由圖８可以看出,由分析 軟件根據(jù)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算得到的溢油閥所用原材料最 大抗拉強(qiáng)度需達(dá)到２０５．７６ MPa,根據(jù) GB/T６９９－ ２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼»的要求,２０鋼的實(shí)際抗拉強(qiáng) 度為４１０MPa,從而得出該溢油閥所用２０鋼的安全 系數(shù)為１．９９,符合尺寸設(shè)計(jì)與原材料選用要求[１].
２．３ 理化檢驗(yàn)結(jié)果分析
由上述理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知,斷裂溢油閥的 尺寸設(shè)計(jì)、原材料選用、硬度、鍍鋅層厚度、有效硬化 層深度、顯微組織、孔徑尺寸等均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù) 要求.
從溢油閥斷口形貌和微區(qū)成分分析結(jié)果來(lái)看, 溢油閥斷裂起源于出油孔處外表面,屬于氫脆延遲 斷裂.
氫溶入金屬后,金屬出現(xiàn)塑性降低、脆性增加的 現(xiàn)象,稱為氫脆[１].氫脆的表現(xiàn)形式包括:
(１)零件在斷裂過(guò)程中受到持續(xù)的靜應(yīng)力,該 靜應(yīng)力為低應(yīng)力且遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度.
(２)在時(shí)間上表現(xiàn)為延遲斷裂,需要經(jīng)過(guò)孕育 期后,氫脆才會(huì)以靜態(tài)脆性斷裂的形式表現(xiàn)出來(lái).
(３)室溫下零件的氫脆敏感性較大[２]. 溢油閥的化學(xué)成分分析結(jié)果顯示,硫元素含量 處于標(biāo)準(zhǔn)值的上限,而硫元素對(duì)材料的氫脆敏感性 影響較大[３].此外,從溢油閥的加工工藝來(lái)看,在酸 洗過(guò)程中,溢油閥表面鋼材與酸洗液發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生的氫原子和酸洗液發(fā)生電離反應(yīng)形成的氫離子 進(jìn)入溢油閥表面.在鍍鋅過(guò)程中,陰極發(fā)生析氫反 應(yīng),氫離子被還原為氫原子后滲入溢油閥內(nèi)部,而覆 蓋在溢油閥表面的鍍層會(huì)阻礙氫原子向溢油閥外部 擴(kuò)散.在加工過(guò)程中滲入的氫是斷裂溢油閥出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象主要的氫來(lái)源.滲入的氫原子富集在晶格缺 陷(如空位、位錯(cuò)、晶界、夾雜)處,使晶格扭曲產(chǎn)生很 大的內(nèi)應(yīng)力,隨著氫原子的聚集,應(yīng)力集中部位會(huì)形 成微裂紋.
溢油閥的硬度、有效硬化層深度以及斷口處金 相分析結(jié)果顯示,溢油閥材料在滲碳淬火處理過(guò)程 中,表面形成了深度約０．３３mm 的高碳馬氏體,最 大硬度值達(dá)到７１４ HV３.而高碳馬氏體組織對(duì)氫 脆最敏 感,且 滲 碳 層 硬 度 越 高,越 易 發(fā) 生 氫 脆 斷 裂[４].此外,由于鋼材強(qiáng)度與硬度關(guān)系密切,可通過(guò) 材料硬度來(lái)判斷其氫脆敏感性[５].而溢油閥硬度偏 向于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的上限,因而材料具有高的氫脆 敏感性.
溢油閥中滲入的氫在安裝應(yīng)力的作用下向應(yīng)力 集中的部位聚集,當(dāng)應(yīng)力集中處的氫含量達(dá)到臨界 值時(shí),會(huì)導(dǎo)致溢油閥在安裝應(yīng)力和氫的共同作用下 發(fā)生氫脆斷裂.
３ 結(jié)論及建議
該高壓燃油泵用溢油閥的失效模式屬于氫脆延 遲斷裂.溢油閥表面經(jīng)滲碳淬火處理后硬度偏高, 氫脆敏感性增強(qiáng),而酸洗鍍鋅過(guò)程中由于未進(jìn)行脫 氫處理,導(dǎo)致溢油閥表面發(fā)生氫的聚集,最終在安裝 應(yīng)力和氫的共同作用下發(fā)生氫脆斷裂.
建議采取以下預(yù)防措施:酸洗鍍鋅過(guò)程中,在原 工藝的基礎(chǔ)上增加(２００±１０)℃×６h的除氫工藝, 采用合格的除氫設(shè)備,選用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的溫度敏感元 件,嚴(yán)格工藝紀(jì)律;控制原材料的氫偏聚,避免原材 料中的局部氫含量遠(yuǎn)高于平均氫含量而使氫脆加 劇;控制滲碳溫度、滲碳時(shí)間、氣氛碳勢(shì)等滲碳工藝, 避免溢油閥表面增碳嚴(yán)重,加重氫脆敏感性;嚴(yán)格控 制冶煉工藝,控制原材料的成分和雜質(zhì)元素含量.
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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>56卷>1期(pp:48-51)>