摘 要:某１８CrNi８鋼制針閥體在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時,運(yùn)行１０h即發(fā)生端面銷孔開裂.通過宏 觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、掃描電鏡分析、金相檢驗(yàn)以及硬度測試等方法對銷孔開裂的原因進(jìn)行了分 析.結(jié)果表明:該針閥體銷孔開裂模式為脆性斷裂.由于熱處理工藝不當(dāng),銷孔表面碳勢過高形成 了網(wǎng)狀碳化物,不僅破壞了基體的連續(xù)性,還使得銷孔部位成為高淬硬區(qū),晶界被弱化,在內(nèi)應(yīng)力和 外加軸向應(yīng)力作用下,裂紋萌生并不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致該銷孔開裂.最后提出了相應(yīng)的預(yù)防措施.
關(guān)鍵詞:針閥體;銷孔;網(wǎng)狀碳化物;脆性斷裂
中圖分類號:TG１６２．８ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８６４Ｇ０４
燃油噴射裝置是柴油機(jī)的“心臟”,由噴油泵和 噴油器 兩 部 分 組 成. 針 閥 體 是 噴 油 器 的 關(guān) 鍵 部 件[１],服役時處于高溫、高壓、沖擊、腐蝕等惡劣的條 件下,所以要求其具有高耐磨性、高硬度、良好的尺 寸穩(wěn)定性以及較高的接觸疲勞強(qiáng)度[２].長型針閥體 的中孔直徑與孔深的比值大,噴孔孔徑小,在熱處理 時極易形成網(wǎng)狀碳化物,導(dǎo)致其力學(xué)性能大幅降低, 甚至出現(xiàn)沿晶開裂失效[３].因此對針閥體的材料和 熱處理工藝提出了很高的要求.
某新裝配完成的針閥體經(jīng)發(fā)動機(jī)臺架可靠性試 驗(yàn)運(yùn)行１０h后,于閥體端面銷孔處出現(xiàn)開裂.該針 閥體 材 料 為 １８CrNi８ 鋼,其 加 工 流 程 為:棒 料 下 料→內(nèi)外腔表面車加工→滲碳→淬火→深冷時效處 理→回火→內(nèi)外密封面超精加工.其中熱處理工藝 為:９００ ℃×４h固體滲碳→８８０ ℃×２．５h保溫后 氣淬→－１００ ℃×０．５h深冷處理→１８０ ℃×４h回 火保溫.
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 宏觀檢驗(yàn)
該針閥體端面的宏觀形貌如圖１所示,其剖面 示意圖如圖２所示.由圖１可見,兩銷孔裂紋附近 無明顯塑性變形.圖１中圓圈標(biāo)注范圍為針閥體端面與過渡塊接觸區(qū)域,經(jīng)裝配后過渡塊向針閥體施 加的軸向壓力約為３００００N.
１．２ 化學(xué)成分分析
使用MAXxLMM１５型直讀光譜儀對開裂針閥體進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表１所示,可見各元素 含量均符合企業(yè)技術(shù)要求.
１．３ 掃描電鏡分析
使用蔡司SIGMA 型掃描電子顯微鏡(SEM)對 左、右銷孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)的裂紋微觀形貌進(jìn)行觀察. 由圖３可見,兩銷孔附近均有裂紋產(chǎn)生,且裂紋向外 擴(kuò)展至針閥體外圓面,向內(nèi)未擴(kuò)展至中心孔.
銷孔開裂處的斷面 SEM 形貌如圖４所示,可 見斷口呈暗灰色,裂紋沿晶界擴(kuò)展,為典型的沿晶斷 裂特征.
１．４ 金相檢驗(yàn)
在針閥體左、右銷孔裂紋橫截面處截取金相試 樣,經(jīng)磨制、拋光后,采用體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒 精溶液進(jìn)行浸蝕,使用 NJFＧ１２０A 型光學(xué)顯微鏡觀 察其顯微組織形貌.左銷孔附近的顯微組織如圖５ 所示,可見 其 表 層 顯 微 組 織 為 碳 化 物 ＋ 殘 余 奧 氏 體＋針狀馬氏體,心部組織為低碳馬氏體,且存在單個灰色的端部呈圓角的夾雜物,尺寸約為９．８μm; 右銷孔附近 的 顯 微 組 織 如 圖 ６ 所 示,可 見 其 表 層 顯微組織為 殘 余 奧 氏 體 ＋ 針 狀 馬 氏 體,碳 化 物 呈 網(wǎng)狀及角狀,心部組織為低碳馬氏體,無非金屬夾 雜物.
該針閥體的顯微組織應(yīng)符合JB/T９７３０－２０１１ «柴油機(jī)噴油嘴偶件、柱塞偶件、出油閥偶件、金相檢 驗(yàn)»的規(guī)定,即馬氏體(細(xì)針狀)和殘余奧氏體(中等 含量)≤２級,碳化物(塊狀＋顆粒狀碳化物,彌散分 布)≤２級時合格.可見右銷孔表層的網(wǎng)狀及角狀 碳化物不符合要求.
１．５ 硬度測試
使用４０２MVD型數(shù)字式顯微硬度計(jì)測定針閥 體端面銷孔的硬度,結(jié)果如表２所示.可見銷孔的 硬度符合 GB/T４３４０．１－２００９«金屬材料 維氏硬度 試驗(yàn) 第１部分:試驗(yàn)方法»的技術(shù)要求,但硬度值整 體偏高,換算后為６１~６２HRC.
１．６ 有效硬化層深度檢測
使用４０２MVD型數(shù)字式顯微硬度計(jì)測量針閥 體 端 面 有 效 硬 化 層 深 度,結(jié) 果 為 ０．４９ mm/ ５５０HV１.可見該針閥體端面的有效硬化層深度符 合 GB/T９４５０－２００５«鋼件滲碳淬火硬化層深度的 測定和校核»規(guī)定的０．４~０．６mm/５５０HV１的技術(shù) 要 求. 通 過 測 量 可 得 銷 孔 與 外 圓 間 壁 厚 約 為 ０．５５mm,說明整個銷孔幾乎被滲透.
２ 分析與討論
由上述分析結(jié)果可知,該針閥體銷孔的化學(xué)成 分、硬度、有效硬化層深度均符合技術(shù)要求.
宏觀及微觀形貌分析表明,該銷孔發(fā)生了脆性 斷裂,裂紋起源于銷孔外表面.銷孔屬于細(xì)盲孔,在 滲碳過程中若要保證中孔和端面滲碳層深度達(dá)到技 術(shù)要求,銷孔表面的滲碳層就會過深,造成該部位碳 勢偏高,出現(xiàn)角狀及網(wǎng)狀碳化物.碳化物硬而脆,是 脆性相[４Ｇ５],當(dāng)碳化物數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀聚集時,表 面滲碳層的強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度及耐磨性會降低,而 脆性顯著增加,導(dǎo)致此處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成裂 紋源.網(wǎng)狀碳化物脆性大,與基體間的界面結(jié)合力 差,對基體的割裂作用明顯,破壞了基體的連續(xù)性, 極大地削弱了晶界強(qiáng)度,造成材料脆化[６],裂紋易萌 生.此外,針閥體滲碳淬火時,由于端面銷孔細(xì)小且 為盲孔,淬火介質(zhì)難以形成對流,銷孔處于半封閉狀 態(tài),其外表面冷卻快,內(nèi)孔冷卻慢,會產(chǎn)生一定內(nèi)應(yīng)力[７].在裝配過程中,銷孔處還會受到較大的軸向 力.在上述應(yīng)力綜合作用下裂紋加速擴(kuò)展,最終導(dǎo) 致銷孔開裂.
３ 結(jié)論及建議
該針閥體銷孔的開裂模式為脆性斷裂,大量硬 而脆的網(wǎng)狀碳化物的存在是引起銷孔開裂的主要原 因;銷孔本身屬于細(xì)盲孔結(jié)構(gòu),滲碳不易控制,不合 理的熱處理工藝極易形成網(wǎng)狀碳化物,割裂基體,極 大地增加了組織脆性;淬火時的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力以 及銷孔自身設(shè)計(jì)不合理也是導(dǎo)致銷孔開裂的因素.
在針閥體進(jìn)行滲碳處理時,應(yīng)降低滲碳碳勢,避 免產(chǎn)生 網(wǎng) 狀 碳 化 物,建 議 將 原 滲 碳 工 藝 中 碳 勢 １．３５％改為１．０５％;采用對細(xì)孔、盲孔有利的真空滲 碳技術(shù),有利于得到硬度梯度分布和碳含量分布比 較平緩的滲碳層,從而避免形成高淬硬區(qū),降低應(yīng)力 集中;改進(jìn)加工工藝,對銷孔滲碳后再進(jìn)行機(jī)械加 工,去除部分滲碳層;增大銷孔孔徑至１．６mm 有利 于滲碳?xì)夥樟魍?避免網(wǎng)狀碳化物的形成;嚴(yán)格冷處 理及回火處理規(guī)范,適當(dāng)延長回火時間,將原回火時 間改為６h,充分回火可減少自身內(nèi)應(yīng)力的影響.
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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>55卷>12期(pp:864-867)>