R18CrNi8噴油嘴針閥體斷裂原因分析

鄭 衛,黃 瑞

(1.寶鋼特鋼長材有限公司,上海 200940; 2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999)

1 概述

柴油發動機的“心臟”即燃油噴射系統的噴油嘴是關鍵的部件[1],油泵內的高壓燃油即通過噴油嘴直接噴射到柴油機的燃燒室,因此噴油嘴承受著高溫、高壓和磨損的復雜工況。噴油嘴由針閥體和針閥組成,噴油嘴閥體在≥160 MPa[2]的油壓作用下,針閥在閥體內以每分鐘上千次上下跳動的頻率,來達到供給均勻霧化的燃油目的,同時受到氣缸工作溫度的影響,針閥體的頭部溫度可達250～360 ℃,因此要求噴油嘴閥體應具有高的表面硬度、高的耐磨性、良好的抗回火性能、優良的尺寸穩定性和接觸疲勞性能[3]。目前,絕大多數企業采用R18CrNi8鋼材經滲碳處理后生產噴油嘴偶件,即針閥體,這樣可以得到高硬度的表面層和低碳堅韌的內部層。但在實際使用過程中,由于使用環境惡劣,針閥體在加工和實際使用過程中仍然存在不同程度的斷裂失效問題。

某公司高速大功率柴油機在裝機試驗過程中,柴油機突然發生故障。對其進行排查,發現柴油機內某一噴油器損壞,噴油嘴發生了針閥與針閥體卡死、針閥體開裂現象,失效樣品形貌如圖1所示。斷裂沿針閥體噴油孔所在最前端小外圓的球頭沿縱向延伸至針閥體小肩胛面(即小圓柱外徑變化處)上方形成縱裂,進而發生掉塊。斷裂樣品材料為R18CrNi8,該針閥體的生產加工流程為:冷拉棒材下料→內外腔表面車加工→滲碳→淬火→深冷時效處理→回火→內外密封面超精細加工。針對這一失效現象,本文通過宏觀、微觀檢驗、掃描檢驗、化學成分分析、夾雜物分析,查找樣品斷裂原因,防止后續再次出現類似問題。

圖1 斷裂的針閥體Fig.1 Macrograph of the cracked needle valve body

2 試驗方法

采用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AES)測定樣品的化學成分,采用體式顯微鏡對斷裂樣品進行宏觀分析,采用掃描電子顯微鏡對斷裂樣品進行斷口掃描分析。制備成金相樣品,使用180#～1 200#砂紙由粗到細依次打磨,2.5 pm的金剛石研磨膏進行拋光,后選用4%(體積分數)硝酸酒精溶液進行腐蝕,采用金相顯微鏡對斷裂樣品進行非金屬夾雜物檢測和金相組織分析。

3 試驗結果及原因分析

3.1 化學成分檢驗

將失效針閥體的大外圓切割進行化學成分檢驗,結果見表1。經與產品標準核對,失效針閥體的化學成分在標準成分范圍內。

表1 開裂針閥體化學成分Table 1 Chemical composition of the failed injector valve body steel %

3.2 非金屬夾雜物檢驗

將失效針閥體切割制備金相樣品,按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖纖維檢測法》對針閥體的基體非金屬夾雜物進行評級,結果見表2、圖2。硫化物類細系,鋼中球狀氧化物細類、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,基體非金屬夾雜物符合標準,無異常。

圖2 開裂針閥體非金屬夾雜物Fig.2 Non-metallic inclusions in cracked needle body

表2 針閥體非金屬夾雜物評級Table 2 Non-metallic inclusion result of the valve body steel

由失效樣件的化學成分及夾雜物評級結果確定,R18CrNi8針閥體用原始鋼材的指標符合針閥體制造的標準要求。

3.3 斷口形貌分析

將失效樣品通過體式顯微鏡進行宏觀觀察,針閥體發生縱向斷裂,在針閥體表面未發現明顯損傷,也沒有磕碰痕跡,但針閥體內針閥超過固定行程,卡死在針閥體內,針閥與針閥體球頭內壁座面發生明顯碰撞,管壁內側有表面剝落現象,但并未發現燒結現象。從斷面形貌判斷,斷裂裂紋萌生于針閥與針閥體卡死的剝落點附近,裂紋擴展方向為自噴油孔頂端向下擴展至針閥體小肩胛面上方形成掉塊,具體見圖3。將針閥體從針閥內取出,可見針閥體小頭的內壁有明顯的撞擊痕跡,已知高壓共軌系統正常工作情況下,針閥與針閥體不發生碰撞,但在該樣品上發現了明顯的撞擊凹痕,且從縱斷面形貌及腐蝕程度分析,起裂點應為針閥體內壁撞擊處,進而向兩邊擴展形成縱向開裂。

圖3 針閥體斷裂面體式顯微鏡形貌Fig.3 Micromorphology of the fracture surface of needle valve body

3.4 斷口形貌分析

將斷裂針閥體清潔后放入掃描電鏡進行分析,電鏡下球頭座面處斷口斷面的掃描電鏡形貌如圖4。在斷口處并未發現硬質的夾雜物及氧化物顆粒,發現球頭內壁面的剝落處表面與內部組織形成明顯的分界面,剝落處的斷口形貌為解理斷裂及呈現出少量韌窩。經能譜檢測,剝落處C含量比較高,且含有微量的Al、Na、Si等元素,應為滲層組織,具體見圖4(a)。內部斷裂面的形貌為韌窩狀,且成分C含量較低,也與其他基體成分一致,具體見圖4(b)。由此分析,針閥體在受到針閥的外力撞擊時,滲層組織與基體組織結合力較差,滲層發生了脆性斷裂,而基體發生韌性斷裂。因此會產生滲層組織與基體的剝離現象,從而形成裂紋源,導致針閥體從球頭座面處引發縱向開裂。

圖4 針閥體斷口處形貌及能譜分析Fig.4 Morphology and energy spectrum analysis of needle valve body fracture

3.5 金相組織分析

將針閥體失效樣件制備成金相樣品并觀察,結果見圖5、6。零件試樣在未腐蝕前裂紋表面附近無夾雜物等異常物質,具體見圖5。使用硝酸酒精腐蝕后,對零件試樣進行帶狀組織分析,球頭中心部分存在較為明顯的低碳馬氏體帶狀組織。由于零件的組織已是回火馬氏體組織,可以推斷試樣原始材料存在帶狀組織,但該帶狀組織離斷裂面較遠,因此對縱裂的形成不會產生直接影響。

圖5 金相觀察Fig.5 Metallographic observation

針閥體的服役環境較為惡劣,要求材料表面耐高溫高壓,因此會對針閥體內外壁進行表面滲碳處理,這樣可以保證表面的耐熱耐磨性能。失效樣品腐蝕后可見針閥體內壁有明顯滲層,滲層的金相組織為高碳回火馬氏體組織、殘余奧氏體組織、碳化物,基體組織為板條馬氏體組織。由圖6(a)、(b)可以看到,針閥體球頭內壁剝落附件的滲層碳化物析出明顯不均勻,析出深度不等,最深可沿座面呈一定角度向內延伸達400 μm。同時,部分碳化物連接成網,進而破壞基體的連續性,從而造成內壁表面硬度不均,進而影響接觸疲勞及耐磨性能。

該樣品的滲層碳化物分布十分不均勻,且向內析出深度較深,碳化物為脆性相。當析出較深且分布不均勻時,很容易造成應力集中,導致滲層組織和基體組織的界面結合力較差,對基體的割裂作用十分明顯,破壞了基體的連續性,進而造成滲層的脆化,嚴重影響到滲層的強度、接觸疲勞性能以及耐磨性等性能。結合掃描電鏡形貌觀察到在針閥與針閥體的撞擊處,有明顯的滲層剝離基體的現象,針閥撞擊球頭時由于球頭滲層組織的不均勻,引起應力集中,造成裂紋源。

滲層組織碳化物的形態和分布對滲層組織的性能有十分重要的影響,理想的滲層組織應為隱晶馬氏體加細小彌散的碳化物,具體見圖6(c)、(d),擁有正常的滲層組織針閥在同一環境使用過程中未發生開裂。

圖6 滲層組織觀察Fig.6 Observation of permeability layer structure

由于該材料球頭座面滲碳層碳化物分布不均,最深達400 μm,造成滲層組織與基體結合力較差,在針閥與針閥體工作時,針閥與針閥體出現撞擊,造成結合部位發生應力集中而開裂。

4 結論

(1) 該R18CrNi8鋼制針閥體的主要失效形式為縱向開裂,根據以上各項分析結果可以看到,針閥體的斷裂起裂點為球頭內壁針閥與針閥體的撞擊處,后沿球頭部分向下延伸發生縱向開裂。由于原材料的成分、夾雜物、帶狀組織都無異常,針閥體斷裂主要原因是由于該產品球頭座面內壁滲層碳化物分布不均,滲層組織脆而硬,滲層與基體結合力較差,在針閥與針閥體碰撞時連續沖擊造成滲層剝離,針閥卡死,針閥體發生縱向開裂。

(2) 根據失效原因,要對針閥體的滲碳處理工藝進行優化,降低原滲碳工藝碳勢,延長回火時間,避免滲層碳化物分布不均,減少滲層和基體間內應力的影響,盡量在內壁生成致密的滲層組織。

(3) 應對高壓共軌系統進行定期檢查,防止發生碰撞現象。