摘 要:某高壓燃油泵溢油閥在服役過程中發生斷裂,通過尺寸設計與原材料選用分析、化學成 分分析、斷口分析、金相分析、有效硬化層深度測試、硬度測試、鍍鋅層厚度測試、孔徑尺寸測試等方 法對溢油閥斷裂原因進行了分析.結果表明:該溢油閥失效模式屬于氫脆延遲斷裂.溢油閥表面 滲碳淬火處理導致其硬度偏高,氫脆敏感性增強;酸洗鍍鋅過程中由于未進行脫氫處理,導致溢油 閥表面發生氫聚集,最終在安裝應力和氫的共同作用下發生氫脆斷裂.最后針對溢油閥斷裂原因 提出了預防措施.
關鍵詞:高壓燃油泵;溢油閥;斷裂;氫脆
中圖分類號:TH３３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００４８Ｇ０４
溢油閥是柴油機燃料噴射系統直列式燃油泵的 重要零部件,是由閥體、閥芯、彈簧、調節螺釘組成的 多級機械閥,具有定壓溢流、穩壓、系統卸荷和安全 保護等作用.溢油閥的調節螺釘連接高壓燃油泵及 發動機的回油管路,通過與彈簧共同作用來調節、控 制高壓燃油泵出油壓力,對于保持高壓燃油泵潤滑 和回油正常至關重要.溢油閥一旦斷裂會導致發動 機難以啟動并存在柴油泄漏等風險.
國內某發動機廠家生產的溢油閥裝機后在服役 過程中發生斷裂,造成嚴重的經濟損失.溢油閥的材 料為２０鋼,其生產工藝如下: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,筆者對其進行 了理化檢驗和分析,并提出了改進措施
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀觀察
經宏觀檢查發現,溢油閥斷成兩段,如圖２所示.
斷裂位置位于閥體上兩個出油孔處,如圖３所示.
１．２ 化學成分分析
對溢油閥出油孔處取樣,使用 MAXxLMM１５ 型直讀光譜儀進行化學成分分析.由表 １ 可以看 出,溢油閥的化學成分符合 GB/T６９９－２０１５«優質 碳素結構鋼»的技術要求.
１．３ 斷口分析
溢油閥的斷口宏觀形貌如圖４所示,可見斷口 潔凈平齊,呈脆性斷裂特征,無氧化、腐蝕物及污染 痕跡,斷面無明顯塑性變形.在 SIGMA 型掃描電 鏡(SEM)下觀察斷口的微觀形貌,如圖５所示,沒 有發現任何冶金缺陷和加工缺陷,斷口表面滲碳區 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型氮氫氧聯合測定儀對斷 裂溢油閥和同批次溢油閥以及原材料２０鋼進行氫 的質量分數測定,結果分別為１．５２×１０－５％,２．４× １０－６％,０．６×１０－６％,可見斷裂溢油閥的氫含量遠 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
垂直溢油閥斷口沿縱向截取金相試樣,打磨、拋 光后采用體積分數為４％的硝酸酒精溶液浸蝕,在 NJFＧ１２０A 型光學顯微鏡下觀察顯微組織.由圖６ 可見,溢油閥斷口表面顯微組織為細針狀高碳馬氏體＋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 有效硬化層深度測試
使用４０２MVD型顯微硬度計對溢油閥表面進行 有效硬化層深度測試,結果為０．３３mm/５５０HV３,滿 足 GB/T９４５０－２００５«鋼件滲碳淬火硬化層深度的 測定與校核»規定的０．２~０．４mm 的技術要求.
１．６ 硬度測試
使用４０２MVD型顯微硬度計在距溢油閥表面 ０．１mm 處進行硬度測試,結果見表２,可見溢油閥 硬度符合相關標準的技術要求.
１．７ 鍍鋅層厚度測試
使用 TT２７０型鍍鋅層測厚儀對溢油閥鍍鋅層 厚度進行測試,結果見表３,可見溢油閥鍍鋅層厚度 符合相關標準的技術要求.
１．８ 孔徑尺寸測量
由于溢油閥橫孔處已斷裂,從庫存件中隨機抽 取同批次５個溢油閥(分別編號為１~５號),使用 AECＧ３０００型氣動量儀對其橫孔孔徑進行測量.結 果如表４所示,可見溢油閥橫孔孔徑滿足相關標準 的技術要求.
２ 分析與討論
２．１ 影響因素分析
首先對可能造成溢油閥斷裂失效的因素進行了 梳 理和歸納,如圖７所示,可見尺寸設計、原材料選用、機加工工藝設計、熱處理工藝設計、表面處理工 藝設計不合理以及橫孔孔徑過大、硬度和硬化層超 差、化學成分不符合要求、擰緊扭矩過大均有可能造 成溢油閥斷裂.
２．２ 尺寸設計與選材分析
按照溢油閥的設計尺寸建立模型進行有限元分 析,加載扭矩為３９N??m.由圖８可以看出,由分析 軟件根據尺寸設計計算得到的溢油閥所用原材料最 大抗拉強度需達到２０５．７６ MPa,根據 GB/T６９９－ ２０１５«優質碳素結構鋼»的要求,２０鋼的實際抗拉強 度為４１０MPa,從而得出該溢油閥所用２０鋼的安全 系數為１．９９,符合尺寸設計與原材料選用要求[１].
２．３ 理化檢驗結果分析
由上述理化檢驗分析結果可知,斷裂溢油閥的 尺寸設計、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標準技術 要求.
從溢油閥斷口形貌和微區成分分析結果來看, 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,金屬出現塑性降低、脆性增加的 現象,稱為氫脆[１].氫脆的表現形式包括:
(１)零件在斷裂過程中受到持續的靜應力,該 靜應力為低應力且遠低于材料的屈服強度.
(２)在時間上表現為延遲斷裂,需要經過孕育 期后,氫脆才會以靜態脆性斷裂的形式表現出來.
(３)室溫下零件的氫脆敏感性較大[２]. 溢油閥的化學成分分析結果顯示,硫元素含量 處于標準值的上限,而硫元素對材料的氫脆敏感性 影響較大[３].此外,從溢油閥的加工工藝來看,在酸 洗過程中,溢油閥表面鋼材與酸洗液發生化學反應 產生的氫原子和酸洗液發生電離反應形成的氫離子 進入溢油閥表面.在鍍鋅過程中,陰極發生析氫反 應,氫離子被還原為氫原子后滲入溢油閥內部,而覆 蓋在溢油閥表面的鍍層會阻礙氫原子向溢油閥外部 擴散.在加工過程中滲入的氫是斷裂溢油閥出現氫脆現象主要的氫來源.滲入的氫原子富集在晶格缺 陷(如空位、位錯、晶界、夾雜)處,使晶格扭曲產生很 大的內應力,隨著氫原子的聚集,應力集中部位會形 成微裂紋.
溢油閥的硬度、有效硬化層深度以及斷口處金 相分析結果顯示,溢油閥材料在滲碳淬火處理過程 中,表面形成了深度約０．３３mm 的高碳馬氏體,最 大硬度值達到７１４ HV３.而高碳馬氏體組織對氫 脆最敏 感,且 滲 碳 層 硬 度 越 高,越 易 發 生 氫 脆 斷 裂[４].此外,由于鋼材強度與硬度關系密切,可通過 材料硬度來判斷其氫脆敏感性[５].而溢油閥硬度偏 向于標準規定范圍的上限,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力的作用下向應力 集中的部位聚集,當應力集中處的氫含量達到臨界 值時,會導致溢油閥在安裝應力和氫的共同作用下 發生氫脆斷裂.
３ 結論及建議
該高壓燃油泵用溢油閥的失效模式屬于氫脆延 遲斷裂.溢油閥表面經滲碳淬火處理后硬度偏高, 氫脆敏感性增強,而酸洗鍍鋅過程中由于未進行脫 氫處理,導致溢油閥表面發生氫的聚集,最終在安裝 應力和氫的共同作用下發生氫脆斷裂.
建議采取以下預防措施:酸洗鍍鋅過程中,在原 工藝的基礎上增加(２００±１０)℃×６h的除氫工藝, 采用合格的除氫設備,選用經過校準的溫度敏感元 件,嚴格工藝紀律;控制原材料的氫偏聚,避免原材 料中的局部氫含量遠高于平均氫含量而使氫脆加 劇;控制滲碳溫度、滲碳時間、氣氛碳勢等滲碳工藝, 避免溢油閥表面增碳嚴重,加重氫脆敏感性;嚴格控 制冶煉工藝,控制原材料的成分和雜質元素含量.
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