彈性圓柱銷斷裂原因分析

史秋月，顏士杰，馬冬威

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰 442002；2.神龍汽車有限公司，湖北武漢 430058)

0 引言

彈性圓柱銷又稱彈簧銷，是一種無頭中空的柱形體，軸向開槽，兩頭端部有倒角，用于定位搖臂，防止搖臂脫落，如圖1所示。搖臂為配氣機(jī)構(gòu)的氣門傳動組零件的重要組成之一，是配氣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵性部件，對發(fā)動機(jī)的正常工作起著至關(guān)重要的作用，用來改變推桿或凸輪傳來的力的方向，作用到氣門桿端以推開氣門，搖臂在其擺動的過程中承受很大的彎矩，工作溫度接近200 ℃。彈性圓柱銷主要受搖臂搖擺過程中所受的震動剪切力及搖臂工作時(shí)的溫度環(huán)境影響。

某卡車在行駛10萬千米左右，車出現(xiàn)異響，拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)搖臂總成3缸、6缸附近搖臂軸上彈性圓柱銷斷裂，彈性圓柱銷斷裂后排氣搖臂與發(fā)動機(jī)罩蓋產(chǎn)生碰撞，致使發(fā)動機(jī)罩蓋出現(xiàn)磨損。標(biāo)準(zhǔn)件彈性圓柱銷形狀及工作狀況如圖2所示，使用過程有潤滑。彈性圓柱銷為標(biāo)準(zhǔn)件，材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，外徑3 mm，淬火并低溫回火硬度為420～520HV30。

圖1 彈性圓柱銷裝配工作圖

1 檢驗(yàn)方法

對斷裂彈性圓柱銷的斷口面進(jìn)行清洗，觀察宏觀斷口形貌，并對斷面進(jìn)行觀察分析。將斷裂的彈性圓柱銷用掃描電鏡及能譜進(jìn)行斷口微觀形貌及成分分析，從3個(gè)不同的位置銼屑由ICP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析化學(xué)成分，沿?cái)嗔言次恢脧较蚰ブ平鹣?，拋光后?%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察分析，并用顯微硬度計(jì)在3個(gè)不同的徑向位置測試分析硬度的分布情況。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

(1)根據(jù)GB/T 879.1-2000彈性圓柱銷標(biāo)準(zhǔn)，該彈性銷成分要求：C≥0.65，Mn≥0.5。該零件化學(xué)成分由ICP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析得出，其結(jié)果如表1所示，可見該產(chǎn)品成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成分實(shí)測值

2.2 斷口形貌及微區(qū)成分分析

對斷裂銷經(jīng)超聲波反復(fù)清洗后觀察，如圖3所示。

圖3 斷裂銷SEM斷口形貌

圖3(a)為宏觀斷口形貌，斷面外緣有多個(gè)裂紋擴(kuò)展臺階，初步判斷為外緣多點(diǎn)起源斷裂，斷面外緣有大量積碳，斷面嚴(yán)重磨損；圖3(b)為裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)(斷面外環(huán)1/3區(qū))，都有大量大小不一的腐蝕坑；圖3(c)為斷裂銷外表面形貌，可見外表面腐蝕坑明顯；圖3(d)為斷面擴(kuò)展區(qū)次層形貌,呈現(xiàn)明顯的疲勞輝紋；如圖3(e)所示，近內(nèi)側(cè)連接疲勞輝紋的裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)沿晶斷裂形貌特征；圖3(f)為斷裂區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理+局部沿晶形貌特征。上述觀察表明，斷裂形貌具有典型的應(yīng)力腐蝕特征。

圖4為斷裂銷腐蝕坑微區(qū)EDS成分?？梢?，腐蝕坑中除了K、Na、Ca、O等元素形成氧化腐蝕之外，腐蝕產(chǎn)物中還有S、Cl等元素，由于彈性圓柱銷工作過程中除了有潤滑脂潤滑之外，還和發(fā)動機(jī)排除的部分廢氣接觸，此過程帶來S、Cl等腐蝕性離子，由于這些元素半徑較小且吸附力強(qiáng)，易于在金屬表面富集，且彈性圓柱銷裝配時(shí)有預(yù)應(yīng)力，工作工程中有震動引起的剪切應(yīng)力等，使其具備應(yīng)力腐蝕條件。

2.3 金相組織分析

圖5是斷裂銷外緣不同位置的金相組織。

圖4 斷裂銷腐蝕坑微區(qū)成分

圖5 斷裂銷外緣不同位置的金相組織

可見近斷面表層和芯部組織均為針狀馬氏體，另外表層腐蝕深度達(dá)5～10 μm(如圖5中標(biāo)示)，有延晶界腐蝕和不同形態(tài)的點(diǎn)腐蝕坑，在應(yīng)力的作用下延此位置形成裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度，應(yīng)力超過了材料的允許強(qiáng)度，即發(fā)生斷裂。

2.4 硬度分析

硬度測試如表2所示，在磨制的金相樣截面取4個(gè)不同的經(jīng)度，由外側(cè)向內(nèi)側(cè)等距測得顯微硬度值。硬度值基本符合技術(shù)要求，但偏上限，會增加應(yīng)力腐蝕的敏感性。

表2 顯微硬度測試值 HV

3 結(jié)論

綜合上述分析，腐蝕產(chǎn)物中有S、Cl等元素，可能潤滑劑中含有此腐蝕性離子，由于這些元素半徑較小且吸附力強(qiáng)，易于在金屬表面富集，且彈性圓柱銷裝配時(shí)有預(yù)應(yīng)力，使用過程中有切應(yīng)力，使其具備應(yīng)力腐蝕條件。在S、Cl離子和應(yīng)力的聯(lián)合作用下零件表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕，應(yīng)力越大點(diǎn)蝕越快，在工作應(yīng)力作用下點(diǎn)蝕坑發(fā)展成裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，應(yīng)力超過材料允許載荷，零件在早期發(fā)生應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂。另外材料硬度值偏上限，會增加應(yīng)力腐蝕敏感性。建議更換材料或者在搖臂與彈性圓柱銷之間增加彈性墊片，緩沖切應(yīng)力。