R18CrNi8鋼制滲碳針閥體失效分析

黃 瑞,劉湘江,黃宗澤

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

柴油噴射系統(tǒng)(俗稱噴油嘴)是柴油機(jī)的心臟,由針閥和針閥體組成。其主要功能就是根據(jù)柴油機(jī)的工況,在一定間隔內(nèi),將燃燒所需的燃料在一定的壓力和供油速度下,通過噴油器形成良好的噴霧后噴入燃燒室[1]。因此,噴油嘴對柴油機(jī)燃油的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散以及油氣混合、著火、燃燒、放熱,碳煙和廢氣有害成分的形成,燃燒激振波和燃燒噪聲的強(qiáng)度等燃燒過程起著至關(guān)重要的作用[2]。噴油嘴針閥體是噴油嘴的關(guān)鍵元件,長期在高溫高壓沖擊腐蝕等極端惡劣條件下服役,這就要求針閥體偶件具有足夠的強(qiáng)度、剛度,較高的耐磨性,接觸疲勞性能,良好的抗回火穩(wěn)定性(抗回火軟化,300～400 ℃)和一定的耐高溫腐蝕性能等[3-4],對材料的設(shè)計和工藝提出了極高的要求。

針閥體制造企業(yè)使用的鋼材牌號主要有18Cr2Ni4WA、18CrNi4WA、18CrNi8、R18CrNi8等,分別適配于不同型號的發(fā)動機(jī)主機(jī)上,以滿足國家不同的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求[5]。目前,國家主要采用的是國4、國5的排放標(biāo)準(zhǔn)要求,噴射壓力均超過160 MPa[6],因此,鋼材需要經(jīng)過滲碳熱處理得到高硬度的表面層和低碳堅(jiān)韌的內(nèi)部層,滿足工況對鋼材的性能要求。即使如此,因針閥體的服役條件惡劣,在噴油嘴的實(shí)際使用過程中也難免發(fā)生故障。

本文針對某品牌柴油發(fā)動機(jī)的某型噴油嘴針閥體在服役期間發(fā)生的橫向斷裂進(jìn)行了失效分析。失效樣品用鋼牌號為R18CrNi8,該針閥體的加工流程為:棒材下料→內(nèi)外腔表面車加工→滲碳→淬火→深冷時效處理→回火→內(nèi)外密封面超精加工。表面及內(nèi)孔經(jīng)過滲碳處理,在針閥體工作過程中發(fā)生了橫向斷裂,斷裂位置發(fā)生在針閥體小肩胛面上(即小圓柱外徑尺寸變化處),沿橫向貫穿,斷口平齊、斷面與軸徑向垂直,樣品的形貌如圖1所示。為了查明該針閥體的失效原因,避免類似的事故再次發(fā)生,本文對其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

圖1 斷裂的針閥體

2 試驗(yàn)方法

取斷裂失效樣品,使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)測定樣品的化學(xué)成分。使用體式顯微鏡及掃描電子顯微鏡對斷裂樣品的斷口形貌進(jìn)行觀察分析。將樣品沿中線進(jìn)行縱向切割取樣,使用體式顯微鏡對針閥體斷裂面內(nèi)壁進(jìn)行觀察分析。制備成金相樣品,使用180#至1 200#砂紙由粗到細(xì)依次打磨,2.5 pm的金剛石研磨膏進(jìn)行拋光,后選用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,采用金相顯微鏡對樣品的表層及芯部進(jìn)行金相組織分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與失效原因分析

3.1 化學(xué)成分及非金屬夾雜物分析

將失效的針閥體樣件切割進(jìn)行化學(xué)成分測試,化學(xué)成分見表1。結(jié)果顯示,失效針閥體的化學(xué)成分各元素的含量在R18CrNi8鋼材標(biāo)準(zhǔn)成分要求的范圍之內(nèi)。

表1 失效針閥體用鋼化學(xué)成分

將失效樣件沿縱向切割,制備金相樣品進(jìn)行夾雜物分析,按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖纖維檢測法》對鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行評級,結(jié)果見表2。硫化物類細(xì)系,鋼中球狀氧化物類、單顆粒球狀類夾雜物為0.5級,其他非金屬夾雜物均為0級,符合針閥體用鋼要求。

表2 針閥用鋼非金屬夾雜物評級表

通過對失效樣件的化學(xué)成分及夾雜物分析結(jié)果可見,R18CrNi8針閥用鋼的原始材料指標(biāo)符合針閥體制造用鋼的要求。

3.2 斷口形貌分析

對失效針閥體的斷裂面進(jìn)行體式顯微鏡觀察,結(jié)果見圖2。通過對斷裂面上宏觀形貌的分析,按照斷裂面上的放射區(qū)、剪切唇及斷裂形貌可以判斷斷裂源區(qū)基本位于斷裂面上的凸起區(qū)域,如圖2(b)箭頭所指位置。同時,在斷裂面上有較為明顯的過熱痕跡。為了進(jìn)一步分析斷裂形式,對裂紋斷面進(jìn)行掃描電鏡分析,可見斷口呈暗灰色,裂紋沿晶界擴(kuò)展,為典型的沿晶斷裂特征。選取發(fā)藍(lán)位置進(jìn)行放大觀察,可見該區(qū)域表面有很多白色氧化點(diǎn),為明顯的加熱氧化痕跡,證明該表面有過熱。

圖2 針閥體裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

由圖2(b)箭頭處可以看到,斷裂面裂紋源內(nèi)壁處十分粗糙,存在有較多凹凸不平的區(qū)域。為了進(jìn)一步分析起裂原因,將失效針閥體的兩個斷裂面沿縱向打開,其體式顯微鏡觀察結(jié)果見圖3。由圖3可見,針閥體內(nèi)壁十分粗糙,有較多區(qū)域呈魚鱗狀損傷,損傷區(qū)域有且有較多的蝕坑及局部塑性變形,甚至機(jī)加工的粗糙痕跡,深度均為1～2 mm。因針閥體工作時內(nèi)壁需要與針閥、柴油進(jìn)行反復(fù)摩擦,屬于工作面,因此,此類蝕坑及機(jī)加工痕跡的局部損傷很容易在針閥體內(nèi)表面引起應(yīng)力集中。同時,由圖1(b)可知,斷裂面的外壁為針閥體小肩胛面,即外圓的直徑變化處,同樣也為應(yīng)力集中區(qū)。因此,結(jié)合斷口處的裂紋擴(kuò)展形貌,基本確定裂紋起源應(yīng)從針閥體內(nèi)壁起源,進(jìn)而沿針閥體外徑變化處斷裂,后沿針閥體壁周進(jìn)行擴(kuò)展,擴(kuò)展完成后形成橫向斷裂。

為了確認(rèn)內(nèi)壁蝕坑產(chǎn)生原因,對蝕坑內(nèi)部進(jìn)行了掃描電鏡觀察,如圖3所示。放大后可以看到,內(nèi)壁表面的凹坑內(nèi)表面非常粗糙,有十分明顯的腐蝕痕跡,對其進(jìn)行能譜成分分析,均為氧化鐵。本針閥體的工作環(huán)境是長期浸泡在燃油中,通常工作在壓力160 MPa、溫度200 ℃左右的條件下,工作環(huán)境非常嚴(yán)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(fù)的沖擊壓力造成失效件表面產(chǎn)生波浪狀的局部塑性變形和凹坑,形成了內(nèi)壁上的空蝕損傷[7]。當(dāng)燃油的局部壓力達(dá)到一定水平時,在快速流動或振動的液體中容易產(chǎn)生氣泡,當(dāng)這些氣泡遇到一個高壓區(qū)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(dǎo)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(chǎn)生的損傷稱為空蝕損傷[8-9]。從圖3(a)可以看到,空蝕損傷的區(qū)域主要為孔徑變化處,這里的變形區(qū)域容易積聚燃油,加速材料的腐蝕。同時,由圖3可以觀察到內(nèi)壁蝕坑上有較多的藍(lán)色過熱痕跡,主要原因在于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(chǎn)生一定的機(jī)械振動,且工作溫度反復(fù)變化,對針閥體的自由收縮和膨脹造成影響,在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度循環(huán)應(yīng)力,引起材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。在溫度及機(jī)械振動等交變載荷作用下,內(nèi)壁的蝕坑等缺陷區(qū)域很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致裂紋在應(yīng)力集中處萌生,并在熱循環(huán)載荷的作用下發(fā)生開裂。

圖3 針閥體內(nèi)壁斷口處形貌

3.3 金相組織及碳化物分析

針閥體的服役環(huán)境為高壓高溫,即要求樣件表面及心部有較好的耐熱耐磨性能,因此會對針閥體內(nèi)外表面進(jìn)行滲碳處理。將失效樣件制備金相樣品并使用金相顯微鏡觀察,結(jié)果見圖4。其心部未滲碳部分的組織主要為板條馬氏體及少量的鐵素體,滲碳層的金相組織為針狀馬氏體、殘余奧氏體及網(wǎng)狀碳化物。

圖4 針閥體表面及心部的顯微組織

理想的滲層組織狀態(tài)應(yīng)為隱晶馬氏體加彌散分布的細(xì)小碳化物,滲碳層的碳化物形態(tài)對針閥體的耐磨性、耐用度起到十分重要的作用。本樣品中,局部滲碳層的碳化物沿晶界形成了明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),網(wǎng)狀碳化物導(dǎo)致界面結(jié)合力差,對基體的割裂作用明顯,破壞了基體的連續(xù)性,極大地削弱了晶界強(qiáng)度,造成材料脆化[10-12]。碳化物為脆性相,當(dāng)硬而脆的碳化物數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀聚集時,表面滲碳層的強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度及耐磨性會降低,而脆性顯著增加,導(dǎo)致此處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成裂紋源。

針閥體的工作環(huán)境主要為200 ℃左右的高溫燃油環(huán)境,燃油中的硫醇(RSH)、硫醚(RSR)、二硫化物(RSSR)分解后都能產(chǎn)生硫化物。因此,在柴油燃燒過程中硫化物易與水和氧反應(yīng),結(jié)合形成連多硫酸和亞硫酸[13],對針閥體材料產(chǎn)生加速腐蝕作用;而在晶界上有網(wǎng)狀碳化物析出時,硫化物更加容易侵入,而對于具有網(wǎng)狀碳化物的滲層,裂紋容易沿晶擴(kuò)展,這與前文掃描電鏡對斷裂面觀察的結(jié)論相符。

網(wǎng)狀碳化物的形成一般是由于滲碳熱處理時,滲碳碳勢偏高,或者工件隨著滲碳罐空冷時的冷卻速度緩慢造成的。由此分析可知,原滲碳熱處理未能使樣件滲碳層部分完全奧氏體化,導(dǎo)致碳化物未能完全融入奧氏體中,未得到最優(yōu)的滲碳層組織,導(dǎo)致針閥體在服役過程中,由內(nèi)壁滲碳層表面萌生裂紋,進(jìn)而橫向擴(kuò)展導(dǎo)致針閥體斷裂。

4 結(jié)論

R18CrNi8鋼制針閥體的主要失效形式為橫斷。根據(jù)以上各項(xiàng)分析結(jié)果可以推斷,針閥體斷裂的裂紋起源于針閥體小肩胛面內(nèi)壁處。由于滲層組織較差、內(nèi)壁空蝕損傷及局部機(jī)加工缺陷,在針閥體工作過程中,由高溫及機(jī)械振動等交變載荷作用萌生裂紋,導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命大為降低。

根據(jù)失效原因提出了改進(jìn)措施:①盡量改善針閥體的加工質(zhì)量,特別是內(nèi)孔的精加工質(zhì)量。②在針閥體進(jìn)行滲碳處理時,將原滲碳工藝的碳勢降低0.1%～0.2%,避免網(wǎng)狀碳化物的產(chǎn)生,延長回火時間至6 h,減少自身內(nèi)應(yīng)力的影響,盡量產(chǎn)生致密的滲層組織。采取了以上措施后,用戶未再反饋針閥體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。