18CrNi4WA鋼滲碳針閥體開裂失效分析

吳帥，王長鵬，蘇艷，陳喜棟，張凱，趙麗旸

（1. 西南技術工程研究所，重慶 400039，2. 中國船舶工業綜合技術經濟研究院，北京 100081）

柴油機噴油器有柴油機心臟之稱，是柴油機燃油系統中的關鍵部件，它將噴油泵供給的高壓適量燃油按一定的方向、貫穿度以均勻的霧狀噴入柴油機燃燒室，并與氣缸內的空氣充分混合形成可燃氣體，可燃混合氣體形成的質量及時間特性直接影響柴油機的工作過程[1-2]。針閥體作為噴油器的精密偶件，其好壞對柴油機整機性能至關重要[2-5]。噴油器長期在高溫、高壓、燃油往復磨損和沖擊、腐蝕等極其惡劣的條件下工作。因此，要求噴油嘴偶件（針閥體）具有高的耐磨性和接觸疲勞強度、良好的抗回火穩定性和耐腐蝕性能[6-8]。

現代轎車和卡車均使用高噴射壓力，柴油機噴油器通常在25 MPa或以上的壓力下工作。高的工作壓力容易產生氣蝕現象，導致針閥體的性能劣化和結構損壞[9-10]。通常針閥體的表面均進行滲碳處理，以使其具有高的耐磨性、接觸疲勞強度和腐蝕性能等。在實際使用過程中，噴油嘴針閥體開裂失效的故障仍時有發生。

文中針對在服役期開裂的某型噴油嘴針閥體進行了失效分析，樣件材質為18CrNi4WA鋼，表面經滲碳淬火處理。樣件宏觀形貌如圖1所示，樣件服役過程中在軸徑方向產生貫穿裂紋，噴油孔下方圓角處出現較多粗糙麻點，將樣件沿裂紋方向掰開，可見油孔附近存在大量裂紋。

1 試驗方法

在樣件斷口處截取試樣，利用ICP分析儀進行化學成分分析，并將樣件沿油孔進行切割取樣，采用FEI Quanta 200型環境掃描電子顯微鏡對斷口形貌、油孔周圍裂紋源形貌、油孔內腐蝕產物進行觀察，并結合能譜對腐蝕產物進行分析。完成后將樣品經240#至2000#砂紙依次打磨、3.5 μm的金剛石研磨膏拋光后，選用10%的FeCl3溶液侵蝕，采用Observe.A1m型倒置式金相顯微鏡對樣品表層及芯部進行金相組織分析。

2 試驗結果與分析

2.1 材料成分和金相組織分析

在失效針閥體樣件上靠近斷口處截取試樣進行化學成分分析，分析結果見表1。結果表明，針閥體材料各元素含量均在18CrNi4WA鋼標準成分要求范圍內。

在樣件斷面縱向方向取樣進行金相組織分析，并按照標準《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》將金相樣品精拋后對材料中非金屬夾雜物進行評定，評定結果見表2。硫化物類、硅酸鹽類等夾雜物均為0.5級。失效件樣品表層金相組織為針狀馬氏體和殘余奧氏體及粒狀碳化物，芯部組織為板條馬氏體和少量鐵素體，如圖2和圖3所示。

由材料化學成分分析和夾雜物評定結果可見，樣品原始材料符合針閥體制造要求。研究表明[6]，滲碳層的馬氏體形態對針閥體的耐磨性、耐用度起至關重要的作用，粗大的針狀馬氏體硬而脆，韌性較差，容易產生開裂等現象，理想的滲碳層組織狀態應為隱晶馬氏體+彌散分布的碳化物。分析發現，該樣品表面滲碳層金相組織為針狀馬氏體和殘余奧氏體及粒狀碳化物，可見原淬火溫度使樣件滲碳層部位完全奧氏體化，碳化物完全融入奧氏體中，因而未得到最優的滲碳層組織。為了增加針閥體的使用壽命，可適當降低滲碳淬火溫度，以得到隱晶馬氏體基體上彌散分布碳化物的組織形態，增加材料的耐磨性和塑韌性。

2.2 表面形貌

對樣品噴油孔下方圓角處表面的麻點進行觀察分析，發現其呈魚鱗狀，放大后可見表面非常粗糙。損傷區域包含大量的凹坑和局部塑性變形，在腐蝕凹陷底部存在較致密腐蝕產物層，如圖4所示。

表1 化學成分分析結果 %

表2 材料非金屬夾雜物評級

當燃油的局部壓力降至一定水平以下時，在快速流動或振動的液體中容易產生空泡，當這些氣泡遇到一個高壓區域，它們會崩裂并引起表面的爆炸沖擊。這些沖擊引起針閥體表面局部變形和凹坑，這些凹坑最終連成一片導致表面變得粗糙，并造成材料損失。這種材料去除的過程被稱為空化侵蝕，由此產生的損傷稱為空蝕損傷[11-12]。針閥體長期侵蝕在燃油中，通常在25 MPa或以上的壓力、200 ℃左右的條件下工作，工作環境非常嚴酷，流體壓力的變化引起流體微射流撞擊針閥體表面，這種反復的沖擊壓力造成失效件表面產生波浪狀的局部塑性變形和凹坑，為典型的空蝕損傷[10]。這些凹坑和局部塑性變形區域容易積聚燃油，加速材料的腐蝕，導致應力集中現象產生。

2.3 斷口分析

由圖5—7可見，失效件裂紋起始于油孔邊緣，在裂紋源處表面存在較多凹坑，看不到明顯斷口特征。斷口裂紋擴展區存在明顯的疲勞貝紋線，自裂紋源向外擴展，低倍下形成局部月牙狀灰暗區。裂紋擴展區斷口為準解理斷裂特征，在垂直于裂紋擴展方向存在較多二次裂紋，斷口形貌為典型疲勞斷裂特征。

疲勞開裂常發生在承受波動應變和交變載荷的構件中，影響構件疲勞壽命的因素很多，包括應力集中、表面狀態、環境介質等。由于針閥體油孔邊緣存在較多空蝕坑，表面非常粗糙，容易產生應力集中現象。另外，噴油器將噴油泵供給的高壓燃油噴入燃燒室時，針閥體會產生一定的機械振動，且工作溫度反復變化，對針閥體的自由收縮和膨脹造成影響，在其內部產生溫度梯度循環應力，引起材料內部產生熱應力。當溫度不斷變化時，熱應力也隨之變化，在熱應力及機械振動等交變載荷作用下，裂紋在應力集中處萌生，并在熱循環載荷的作用下發生疲勞開裂。

2.4 腐蝕產物分析

采用金相顯微鏡觀察失效件油孔周邊形貌，如圖8所示，可見油孔位置圓周表面存在大量腐蝕坑，點狀剝落導致表面組織疏松，局部區域點蝕坑邊緣碎裂形成片狀剝落。將該試樣在掃描電鏡下觀察，發現油孔內測裂紋源附近表面存在大量腐蝕產物，部分基體組織由于腐蝕嚴重出現分層現象，如圖9和圖10所示。采用能譜儀對腐蝕產物進行分析可知（選取三個點），腐蝕產物中含有腐蝕性硫元素，典型譜圖如圖11所示，元素分析結果見表3。

表3 腐蝕產物元素含量 %

由能譜分析結果可知，腐蝕產物主要為氧化物和硫化物。燃油中的硫來源于硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、二硫化物（RSSR）的分解[13]，以硫化氫、有機硫化物等形式存在。燃燒之后的產物易與水和氧反應，結合形成連多硫酸和亞硫酸[14]，對針閥體材料產生加速腐蝕作用。由于噴油嘴長期處在 200 ℃左右的高溫條件下工作，針閥體承受反復高速沖擊和摩擦作用，以及由于燃油局部壓力變化導致的空蝕損傷，均會加速針閥體材料的腐蝕。同時，高溫氧化和燃油對針閥體的腐蝕作用會加劇其工作時的磨損和腐蝕缺陷位置的應力集中。這種協同作用加劇了裂紋的萌生，使針閥體在熱疲勞及機械振動等交變載荷的作用下開裂，使用壽命大為降低。

3 結論

文中研究的針閥體失效件原始材料符合針閥體制造要求，但滲碳淬火溫度過高，未得到最優的滲碳層組織。燃油中存在的硫元素導致針閥體腐蝕，燃油局部壓力的變化導致針閥體表面產生空蝕損傷。腐蝕與空蝕損傷的協同作用加快裂紋的萌生，使針閥體在熱疲勞及機械振動等交變載荷的作用下產生疲勞開裂，使用壽命大為降低。