柴油發動機GhSiMoRct球墨鑄鐵排氣歧管斷裂原因

師利芳, 周隱玉2, 姜進京, 孫曉波, 周 林

(1.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心, 上海 200438； 2.上海材料研究所, 上海 200437)

盡管我國機動車保有量中柴油機動車數量占比不足10%，但由柴油發動機所排放的氮氧化物，卻接近汽車總排放量的70%，其中顆粒物超過90%。因此，柴油發動機的排放控制，已然成為了我國機動車污染防治工作的重中之重[1-2]。

隨著最嚴國六排放標準的發布，為了降低污染物的排放，柴油發動機的排氣溫度被大幅度提高。而作為汽車廢氣排放的首要通道，排氣歧管的工作環境也面臨著巨大的考驗。

GhSiMoRct(以下簡稱中硅鉬)球墨鑄鐵以其優良的高溫力學性能和高溫化學穩定性能，以及優良的抗氧化性能，被廣泛用于高熱負荷的柴油發動機排氣歧管制造中。為確保柴油發動機在苛刻的工作環境下仍能保持正常運轉，某發動機公司對某型號柴油發動機進行了較為嚴苛的熱沖擊測試[3]。其中一排氣歧管在熱沖擊測試進行至時長不到1%時便發生了斷裂。為找到排氣歧管的斷裂原因，筆者對斷裂的零件進行了一系列理化檢驗與分析，并結合失效原因給出整改意見，以期從根本上防止此類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂排氣歧管的宏觀形貌如圖1所示?？梢娫撆艢馄绻苓M氣口第2，3缸之間加強筋處有一條總長度約12 cm的裂縫，如圖中箭頭所示，裂縫附近未見肉眼可見的鑄造缺陷,該排氣歧管的其他位置未發現開裂或明顯缺陷。

圖1 斷裂排氣歧管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured exhaust manifold

為排查斷裂件是否有其他肉眼不可見的缺陷，對斷裂件進行磁粉探傷檢測，檢測結果如圖2所示?？梢姶欧厶絺Y果與肉眼觀察結果一致，在排氣歧管進氣口第2，3缸之間的加強筋處，裂紋較明顯。

圖2 斷裂排氣歧管磁粉探傷檢測結果Fig.2 Magnetic particle inspection results of fractured exhaust manifold:a) side view of crack; b) main view of crack

為進一步查明該排氣歧管的斷裂原因，對該排氣歧管進行了人工剖切，剖切結果如圖3所示。由圖3a)可知，該排氣歧管經人工剖切后，斷口裂紋處無塑性變形，表明斷裂模式為脆性斷裂；該斷口表面顏色發黑，是因為該斷口在試驗中曾受到高溫作用；管壁右半邊兩側整齊的銀白色區域為人工剖切斷口。為適應接下來的掃描電鏡微觀分析，對該排氣歧管斷口進行進一步剖切，該斷口在磁粉探傷測試儀下的形貌如圖3b)所示。其中熒光粉顯示的邊界，即為該排氣歧管最初始的斷口邊界，與圖3a)中的斷口發黑形貌一致。

圖3 斷裂排氣歧管斷口剖切后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of fractured exhaust manifold after cutting: a) macro morphology after cutting; b) macro morphology of fracture

1.2 掃描電鏡分析

對經多次酒精超聲清洗后的排氣歧管斷口進行掃描電鏡(SEM)分析，分析位置如圖4a)所示，結果如圖4b)～f)所示。

圖4b)中斷口形貌以曲線為界限，有明顯區別。線以下部分的斷口形貌與圖4c)中右下箭頭指示位置的一致，為韌窩+石墨球，是球墨鑄鐵材料中典型的韌性斷裂特征；線以上部分的斷口形貌，與圖4c)中左上箭頭指示位置的一致，表現為解理形貌，是球墨鑄鐵材料中典型的脆性斷裂特征；而在圖4b)中發現由外向內的擴展裂紋，裂紋擴展方向如圖中箭頭所示。

圖4d)中的斷口形貌與圖4c)中左上箭頭指示位置的一致，表現為解理形貌；加強筋斷口的擴展方向如圖4d)中較短的3條箭頭所示，存在3條擴展裂紋，裂紋的擴展方向與圖中較長的3條箭頭指示方向保持一致；裂紋擴展深度，與圖中實線圈出位置保持一致。

圖4e)為靠近排氣歧管管壁的斷口，該處的斷口晶粒界面條紋較模糊，表明斷口存在氧化現象；在該區域發現未被氧化的斷口形貌呈現出準解理形貌[圖4e)插圖]，表明該斷口為脆性斷裂；該斷口處發現3條擴展裂紋，位置如圖中較短的3條箭頭所示;裂紋靠近排氣歧管內壁一側棱角更為分明，表明擴展方向由排氣歧管內壁向外擴展，與圖中較長的3條箭頭指示方向保持一致；另外，發現兩處鑄造缺陷，分別如圖中圈出位置1，2所示,位置1的孔洞形狀不規則，表面粗糙，直徑約為200 μm，為縮孔缺陷，其附近未發現裂紋擴展痕跡；位置2表現為表面光滑的枝晶聚集形貌，為群狀分布的針孔缺陷,該兩處鑄造缺陷距離排氣歧管通道較近，雖不是斷口形成的主要因素，但對斷口存在一定影響。

圖4 斷裂排氣歧管斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of fractured exhaust manifold: a) analysis positions; b) position 1; c) position 2; d) position 3; e) position 4; f) position 5

圖4f)為排氣歧管斷口擴展區域的形貌，表現為河流花樣的解理形貌[4-6]。

1.3 化學成分分析

對斷裂排氣歧管進行了白口制樣[7]，并采用直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果如表1所示?？芍撆艢馄绻苤泄柙睾砍^企業標準[8]規定的上限值，其他各化學元素含量均滿足該企業標準對GhSiMoRct球墨鑄鐵的要求。

表1 斷裂排氣歧管的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of fractured exhaust manifold (mass fraction) %

1.4 硬度測試

對斷裂排氣歧管取樣并測試斷口附近外表面的硬度。布氏硬度測試結果為237 HBW，滿足標準對排氣歧管硬度200～240 HBW的技術要求[9-10]。

1.5 金相檢驗

在斷裂排氣歧管斷口附近取縱載面試樣進行金相檢驗，浸蝕前后的形貌如圖5所示。依據GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗》的技術要求對該排氣歧管的顯微組織進行觀察并評級，結果表明基體顯微組織為鐵素體，珠光體含量占9%(面積百分比,下同)，分散碳化物含量約為2%；石墨球大小及分布均較均勻，球化級別為2級，石墨大小級別為6級。為保證排氣歧管在高溫工作環境中，仍能保持較高的強度水平，且保證幾何尺寸不受到影響，企業標準要求材料基體的顯微組織為鐵素體，珠光體含量不大于10%，允許少量的碳化物存在，但含量應不大于5%；球化級別要求為1～2級，石墨大小為5～7級?？梢娫撆艢馄绻艿娘@微組織滿足企業標準的要求。

圖5 斷裂排氣歧管石墨及顯微組織形貌Fig.5 Morphology of a) graphite and b) microstructure of fractured exhaust manifold

2 分析與討論

由化學成分分析可知，該零件的化學成分中硅元素含量偏高，超過企業標準的規定，其他化學元素滿足企業標準的要求；斷口附近外表面的布氏硬度測試結果為237 HBW，滿足零件的設計要求；依據GB/T 9441—2009對斷裂排氣歧管的顯微組織進行評定，結果表明基體顯微組織為鐵素體，珠光體含量占9%，分散碳化物含量約為2%，滿足標準的要求。石墨球大小及分布均較均勻，球化級別為2級，石墨大小為6級，同樣滿足企業標準的技術要求。

結合顯微組織形貌分析結果，判斷該零件的失效過程包括以下3個步驟。

(1) 該零件在澆鑄成型過程中，由于硅含量相對較高，形成硅脆；在液態金屬冷卻過程中，鑄件基體內部的流動性變差，導致基體內部產生少量的縮松及針孔等鑄造缺陷。

(2) 在進行臺架試驗時于缺陷處產生裂紋并不斷擴展，直至圖4d)中的實線圈出位置，導致零件強度大幅度降低。

(3) 熱沖擊試驗過程中，在反復高溫沖刷的工況下，零件最終因強度不足發生脆性斷裂。

3 結論及建議

排氣歧管組織中存在鑄造缺陷，在外力作用下于缺陷處產生裂紋并不斷擴展，導致零件強度大幅度降低，最終排氣歧管發生斷裂。

建議降低合金中硅元素的含量，并充分干燥鑄造用型砂，避免存在水分，影響鑄件質量；產品線增加磁粉探傷檢驗裝置，對下線產品進行100%檢測，如發現下線產品存在表面缺陷，及時報廢處理。