發動機氣門彈簧失效分析

趙芳，劉彥甫，唐會鵬，劉志國

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

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發動機氣門彈簧失效分析

趙芳1,2，劉彥甫1,2，唐會鵬1,2，劉志國1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

對某型號發動機的氣門彈簧斷裂問題進行研究。通過對斷裂彈簧進行硬度檢測、材料成分測定、金相組織檢測以及斷口分析，查找發動機氣門彈簧斷裂原因。結果表明：該型號發動機氣門彈簧斷裂原因為氣門彈簧表面缺陷。

氣門彈簧；斷裂；失效分析；表面缺陷

0 引言

氣門彈簧一般由氣門彈簧座、彈簧保持架和氣門鎖塊固定，用來保證氣門在進氣與排氣過程中精確地開啟與關閉。目前，氣門彈簧可分為等節距氣門彈簧(如圖1)、一端可變節距氣門彈簧、兩端可變節距氣門彈簧。隨著汽車技術的發展，氣門彈簧的作用也日益明顯，氣門彈簧性能的好壞直接決定了發動機配氣系統性能的好壞，而發動機配氣系統直接影響著發動機的性能。因此，研究氣門彈簧的失效形式和失效原因，對于改善發動機的整機質量有著至關重要的作用。

圖1 等節距氣門彈簧

1 氣門彈簧故障案例

某型號發動機在整車道路測試過程中出現異響且熄火后啟動異常，拆解發動機后發現排氣側第7個氣門彈簧斷裂。故障零件如圖2所示。

圖2 某型號發動機氣門彈簧故障件

斷裂是氣門彈簧的常見失效形式之一，致使氣門彈簧斷裂的原因主要有以下幾方面：

(1)發動機工作過程中氣門彈簧過載；

(2)氣門彈簧零件表面有損傷或缺陷；

(3)氣門彈簧材料微觀組織有缺陷；

(4)氣門彈簧材料內部有夾雜。

為明確氣門彈簧的真實失效原因，分別對該氣門彈簧進行了硬度檢測、金相檢測、材料成分檢測、斷口分析、能譜分析等工作。

1.1 硬度檢測

在斷口附近進行取樣，制作檢測樣塊，使用維氏硬度計對故障氣門彈簧進行硬度檢測，其基體硬度檢測結果為：HV522.2、HV544.4、HV518.3，平均硬度為HV528.3,正常。

1.2 金相檢測

委托理化部門對故障彈簧進行金相檢測，拋光態金相組織如圖3所示，無明顯夾雜，腐蝕態組織如圖4所示，彈簧邊緣無脫碳，組織為回火索氏體。

圖3 拋光態(100×)

圖4 腐蝕態(500×)

1.3 材料成分檢測

對失效彈簧進行成分分析，結果如表1所示，符合要求。

表1 彈簧各元素含量表 %

1.4 斷口分析

斷口附近無明顯塑性變形，但存在狹小崩裂。在電子顯微鏡下，其斷口形貌如圖5所示。

圖5 斷口形貌

其中圖5(a)中標記位置為裂紋起始位置，圖5(d)為圖5(c)中標記位置的放大顯示。在裂紋起始點可以發現明顯的表面缺陷，在斷裂點的凹坑處發現有金屬異物。

1.5 能譜分析

在故障氣門彈簧斷口處取樣，進行能譜分析，發現金屬異物材料成分主要為鎢和鈷，不是氣門彈簧材料所屬成分，如圖6所示。

圖6 能譜分析

2 結果分析

故障氣門彈簧的硬度檢測、金相檢測、化學成分檢測結果均正常，說明氣門彈簧斷裂的原因與材料的材質無關。

從斷口分析中可以發現：金屬異物結構覆蓋了氣門彈簧表面的馬氏體結構，初步可以判定鋼絲在成型之后受到金屬物質

的撞擊，導致氣門彈簧表面缺陷。

通過能譜分析結果可以得知：金屬異物的主要成分為鎢和鈷。而鎢和鈷為硬質合金的主要成分，主要來源于刀具。

進一步調查得知，該故障氣門彈簧生產批次過程中，彈簧卷制工序(切斷彈簧鋼絲)的切刀出現異常，因此，可以確定該氣門彈簧的流出工序。

3 結論

通過此次分析不難發現，造成此次發動機故障的直接原因為氣門彈簧斷裂失效。氣門彈簧斷裂失效的主要原因為彈簧表面因異物損傷導致的表面缺陷。

但剖析此次發動機故障的根本原因，不難發現是現場管理問題。在卷制工序出現異常的情況下，未對異常問題進行嚴格對待，沒有對隱患氣門彈簧進行排查及加嚴控制。

因此，在堅持不懈地改善和提高氣門彈簧本身質量的同時，也應該注意生產現場的管理，真正做到生產過程中故障零件的“不接受、不制造、不流出”的三不原則。

【1】劉寶昌,王紅梅.發動機氣門彈簧斷裂失效分析[J].林業機械與木工設備， 2010,38(6):30-32.

【2】楊永生,曹淑芬.氣門彈簧斷裂分析[J].理化檢驗:物理分冊,2005,41(z1):427-429.

【3】李炯輝,林德成,丁惠麟,等.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業出版社，2006．

【4】潘存福,梁樹生.C14發動機氣門彈簧斷裂問題分析[J].企業科技與發展,2015(1):42-43.

FailureAnalysisofEngineValveSpring

ZHAOFang1,2,LIUYanfu1,2,TANGHuipeng1,2,LIUZhiguo1,2

(1.Research&DevelopmentCenterofGreatWallMotorCompany,BaodingHebei071000,China;2.AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebei,BaodingHebei071000,China)

Thefractureofvalvespringinsomeenginewasresearched.Bymeansofhardnessmeasurement，chemicalcompositionanalysis，metallurgicalanalysisandfracturesurfaceanalysisforthefracturedvalvespring,thefailurecauseswereanalyzed.Theresultsshowthatthefracturecauseofthevalvespringissurfacedefect．

Valvespring；Fracture；Failureanalysis;Surfacedefect

2015-11-26

趙芳(1985—)，女，學士，現主要從事發動機質量管理與試驗驗證。E-mail：zhaofang_178@126.com。

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