分享：针阀体端面销孔开裂原因分析及预防
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.结果表明: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,裂纹萌生并不断扩展最终导致该销孔开裂.最后提出了相应的预防措施.
关键词:针阀体;销孔;网状碳化物;脆性断裂
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降低, 甚至出现沿晶开裂失效[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.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
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.
１．２ 化学成分分析
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要求.
１．３ 扫描电镜分析
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.
１．４ 金相检验
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.
１．５ 硬度测试
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»的技术要求,但硬度值整 体偏高,换算后为６１~６２HRC.
１．６ 有效硬化层深度检测
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.
２ 分析与讨论
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 脆性显著增加,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.
３ 结论及建议
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.
参考文献:
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[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．
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