柴油機進氣門斷裂失效分析**

胡 巍

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421001）

氣門性能主要由氣門的材料、結構及加工工藝所決定，而材料選擇不當導致的氣門失效占到了氣門失效總體原因的4.49%，因此，正確選材對減少氣門失效非常重要。氣門材料導致的氣門失效形式比較多，由于氣門工作溫度較高，并且受到很大的高頻交變載荷的沖擊，氣門受到較大的熱載荷和機械載荷。理論上，當這些載荷超過材料的允許范圍時，氣門就會發生頸部斷裂、錐面磨損、表面腐蝕、盤部掉頭、鎖夾槽處開裂等現象。這是因為材料的硬度、強度和抗腐蝕性在高溫下都會降低[1-3]。所以，應根據具體的工作環境進行選材，即材料在特殊的環境下其性能不會受到很大影響，或者即使下降仍能滿足要求而不會發生失效。

通過普通電子顯微鏡，可以觀察到斷口宏觀形貌如圖2所示。其斷口沒有明顯的頸縮現象，其斷裂形式是脆性斷裂，斷口處靠近邊緣黑亮區域存在明顯的貝紋線，結合氣門工作特點可以判斷失效件的斷裂屬于高周疲勞斷裂，疲勞源在貝紋線的中心，裂紋源在疲勞源附近產生，疲勞裂紋由裂紋源中心向外擴展，一直延展到瞬斷區域，并形成瞬斷臺階。氣門頸部的應力集中是發生疲勞斷裂的原因之一。用JSM-6490LA掃面電鏡對斷口微觀形貌進行觀察，其微觀形貌如圖3所示。不難發現，整個基體組織中存在大量微觀氣孔，大大降低了強度因子K和力學性能，微氣孔的存在使局部應力集中程度增強，增加了氣門在工作過程中疲勞斷裂的概率。

圖2 失效件斷口宏觀形貌

圖3 失效件微觀形貌

1 失效樣件斷口分析

通過對斷裂失效件的初步勘察以及與正常樣件對比可得，失效樣件屬于頸部斷裂，斷口在過渡圓弧區域靠近桿部，如圖1所示。由于氣門斷裂后盤部落入氣缸，其斷口形貌損毀嚴重，桿部形貌保存相對完好，因此，取樣件桿部進行后續分析。

圖1 斷裂失效件

2 樣件選材分析

對氣門進行選材時，主要是依據材料在特定工況溫度下的屈服強度進行選擇的，氣門所受到的最大應力值應小于氣門的屈服強度，否則一定會因為應力過大，導致氣門失效。除此之外，有時還應結合其他因素綜合考慮，比如氣門頸部處于桿部與盤部的過渡處，是應力集中的區域，由于氣門的高速反復開閉，其受到的是高頻交變應力，而且還要受到高溫、高腐蝕氣體的沖刷，所以此處容易發生斷裂失效和疲勞失效。因此，對氣門進行選材時應該考慮以下幾點：1）材料在常溫下必須具有較好的機械性能；2）在高溫下，材料除了必須具有一定的屈服強度和硬度以外，還必須具有抗熱疲勞和抗熱蠕變的能力；3）材料必須有一定的抗腐蝕的能力；4）材料要有良好的加工性能，包括冶煉、鍛造、切削、焊接等工藝性能。

由于馬氏體鋼具有良好的機械加工性能，目前進氣門的加工材料從原來的結構鋼逐漸被特殊性能鋼馬氏體鋼代替[1]。如表1和表2所示，分別是幾種進氣門加工材料的化學成分和力學性能。

表1 馬氏體進氣門材料化學成分

表2 室溫力學性能

不同材料適合不同負荷的發動機，低負荷的發動機一般可以選擇45Cr9Si3、42Cr9Si2及40Cr10Si2Mo等。中高負荷發動機進氣門常選擇51Cr8Si2作為加工制造材料。高負荷發動機一般選用80Cr20Si2Ni2和85Cr18Mo2V兩種材料。據分析該失效件的材料為85Cr18Mo2V，而與其相匹配的是WD615.46柴油機，所以材料選擇沒有問題。

3 加工工藝分析

將失效件桿部沿軸線方向從中心處切開，利用GX51型奧林巴斯倒置金相顯微鏡觀察其金相組織，如圖4所示。不難發現，失效樣件桿部組織比較致密，為回火索氏體+顆粒狀和少量網狀碳化物+較多殘余奧氏體，斷口附近的組織比較粗大，存在連續孔坑，這和其加工工藝密切相關。進氣門的主要工藝路線為：下料→倒角→電鐓成型→調質→校直→去應力回火→粗加工→桿端淬火→半精加工→表面強化→精加工→鍍鉻→成品檢驗→清洗包裝→入庫。氣門的加工工藝好壞決定了氣門產品質量的優劣。據統計，15.72%的氣門失效是由加工工藝不當造成的，比如鍍鉻層較厚時，導致鉻的表面沉積，出現較大的拉應力，容易在鉻層表面形成裂紋，造成工作過程中的疲勞失效。在氣門電鐓成型的過程中，模鍛溫度為1 150 ℃時效果最好，過低會造成過渡圓弧處應力過大而產生裂紋，溫度過高不利于加工[4-6]。

圖4 失效件金相組織（接近斷口的組織）

4 氣門結構分析

該氣門的結構示意圖如圖5所示，主要由桿部、頸部、頭部等組成。其中，①為盤部區域，②為頸部區域，③為桿部區域，④為桿部鎖夾槽，R為頸部的過渡圓弧半徑，γ表示背錐角，β表示頸部過渡錐角，D表示盤外圓直徑[7-8]。

圖5 氣門結構示意圖

氣門頸部結構是桿部與盤部的過渡部分，是應力集中的區域，而且會受到高溫、高腐蝕性氣體的沖刷，存在著氣門的第二熱點，其工況條件非常惡劣[9-10]。這也是頸部常發生彎曲疲勞斷裂的原因所在。因此，頸部結構的合理性顯得尤為重要。氣門頸部結構有下面三種：1）圓弧型；2）圓弧+過渡錐角型；3）圓弧+過渡錐角+背錐角型，氣門頸部結構如圖6所示。該失效件采用的是圓弧+過渡錐角+背錐角型結構。

圖6 氣門頸部結構

氣門結構的設計決定了其能夠承受的最大載荷，直接影響氣門的工作壽命，該類氣門盤外圓直徑D為Φ55 mm，發動機氣缸直徑為126 mm，D約為缸徑的0.43倍，在0.42~0.48之間，基本符合要求；氣門盤部厚度為4.4 mm，小于盤外圓直徑的0.1倍，偏薄，容易導致盤部剛度不夠。氣門過渡圓弧半徑R和過渡錐角β影響過渡部分的平順性、頭部剛度以及氣體對氣門頸部的沖擊。R為15 mm，約為D的0.27倍，在要求的0.2~0.5之間，β為15°，在要求的15°~30°之間，但都處于下限值。由于頸部的過渡圓弧和鎖夾槽的存在，兩個區域都存在嚴重的應力集中，加上頸部受強腐蝕性、高溫氣體的沖刷，導致頸部容易出現疲勞斷裂。

5 總結

本文從氣門的失效件入手，對氣門斷口的宏觀形貌、微觀形貌，氣門的材料選擇、加工工藝以及結構參數等幾個方面，闡述了氣門失效的影響因素和形式。通過電子顯微鏡、JSM-6490LA掃面電鏡和GX51型奧林巴斯倒置金相顯微鏡觀察到斷裂失效件的斷口宏觀形貌、微觀形貌及金相組織，綜合氣門的選材分析結果、氣門的加工工藝分析結果、氣門結構參數分析結果，分析了該氣門斷裂失效的原因，總結了以下幾點：

1）失效件的斷裂屬于高周疲勞脆性斷裂，應力集中和微氣孔的存在是造成斷裂的原因之一。

2）氣門的材料選擇符合高負荷發動機的選材要求，但是原材料的質量是否符合要求，應該進行進一步的研究，應該進一步分析材料中微氣孔形成的原因，進一步檢測原材料中C、O、Si等元素的含量。

3）氣門的加工工藝的質量決定了氣門的質量，加工工藝參數不當會影響氣門的內部組織，容易產生應力集中。斷口附近組織的連續孔坑是產生疲勞裂紋的重要因素，應該進一步分析熱加工工藝中孔坑產生的原因。

4）氣門的結構參數同樣影響氣門的使用性能和工作壽命，氣門頸部的過渡圓弧半徑、過渡錐角是導致頸部應力集中以及影響氣流沖刷的又一重要因素，應該在要求的尺寸范圍內對其組合搭配進行優化，盤部厚度不足容易造成頭部剛性不夠，應該考慮適當加厚盤部厚度。