高壓共軌式噴油器開裂失效分析

顏婧 黃東亮 向洋 高勇 王硯民 馮繼軍

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

1 前言

高壓共軌式噴油器是柴油機高壓共軌噴油系統(tǒng)中實現(xiàn)燃油噴射的重要部件。在高壓共軌噴油系統(tǒng)中，高壓油泵直接輸出高壓燃油到共軌容器，壓力可達(dá)135 MPa，整個系統(tǒng)從高壓輸油泵到噴油器均處于高壓狀態(tài)。噴油器工作時，其頭部（包括針閥體與針閥偶件）暴露于熾熱的燃燒室中，與缸內(nèi)高溫高壓的燃油直接接觸，缸內(nèi)燃?xì)獾乃矔r溫度一般可達(dá)2 000 ℃，噴油器針閥體頭部外表面的溫度相應(yīng)在230~280 ℃，甚至更高[1]。除了承受高溫，針閥體部分還承受高壓燃油的沖擊以及針閥對其內(nèi)側(cè)座面的磨損。因此，對針閥體材質(zhì)的要求是耐高溫、耐沖擊、耐磨、耐腐蝕，尤其是高壓共軌式噴油器，對針閥體的材質(zhì)要求更高。

目前國外最具代表性的高壓共軌系統(tǒng)廠商主要有德國BOSCH、日本DENSO、美國DELPHI，所生產(chǎn)的噴油器針閥體或采用鎢鉬系高速鋼，整體調(diào)質(zhì)處理，或采用低合金滲碳鋼（如18CrNi8），表面滲碳淬火處理，以達(dá)到耐磨的性能要求。隨著發(fā)動機爆壓的提升，對針閥體材質(zhì)的耐熱性能要求進(jìn)一步提升，為了提高針閥體的疲勞強度，也有廠商采用耐熱模具鋼H13 或ASP 高速鋼來制造針閥體。ASP 鋼是國外研發(fā)的一種新型粉末冶金高速鋼，采用先進(jìn)的粉末冶金等靜壓實工藝制造，其碳化物組織分布均勻，韌性和耐磨性都比普通冶煉方法制造的高速鋼好[2]。ASP 鋼包括ASP23、ASP30、ASP60[3]，本文所分析的針閥體材質(zhì)為ASP鋼。

在工作過程中，噴油器針閥體常見的失效形式有針閥體與針閥之間由于混入雜質(zhì)等原因發(fā)生卡滯，針閥體與針閥間密封錐面等處過度磨損，針閥體噴油孔處發(fā)生堵塞等[4-5]。但近年來，由于產(chǎn)品的質(zhì)量管控不嚴(yán)或其他原因，針閥體因材質(zhì)缺陷或制造缺陷發(fā)生開裂（斷裂），進(jìn)而導(dǎo)致整個發(fā)動機故障的事件時有發(fā)生。

某柴油發(fā)動機車輛行駛過程中，出現(xiàn)高轉(zhuǎn)速飛車現(xiàn)象，發(fā)動機異響嚴(yán)重，強行掛擋將車熄火后無法起動，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機第6 缸噴油器針閥體開裂，該車行駛里程為2 743 km。本文通過宏觀分析、掃描電鏡分析、能譜分析、金相分析，找到了噴油器針閥體開裂的根本原因。

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀分析

失效的第6 缸噴油器宏觀形貌如圖1a 所示，開裂位置位于圖中箭頭所示，此處放大后可見針閥體表面呈軸向的裂紋，如圖1b 所示。該裂紋在針閥體球頭處頂部開口較大，兩側(cè)開口漸小，如圖1c 所示。針閥體內(nèi)部，與之匹配的針閥的宏觀形貌如圖1d 所示，可見與針閥體配合的針尖表面未見明顯的磨損，針尖附近表面的涂層完好。

圖1 針閥體開裂位置及裂紋宏觀形貌

圖2 所示為針閥體軸向裂紋打開后斷口宏觀形貌。圖2a 所示為A 側(cè)斷口，圖2c 所示為B 側(cè)斷口。裂紋起源于針閥體球頭部位，呈軸向擴展。球頭附近斷口表面受到高溫的影響呈黑色，裂紋向后，其斷口顏色變成淺灰色。A 側(cè)斷口起源處放大如圖2b 所示，宏觀可見凹坑內(nèi)顆粒狀異物以及以此為中心的凸起的線狀臺階。以此為中心，裂紋向周圍箭頭所指方向擴展，斷面可見明顯的裂紋擴展放射紋。與A 側(cè)斷口匹配的B 側(cè)斷口起源處放大如圖2d 所示，宏觀可見一個小凹坑，以及以此為中心的線狀臺階。

圖2 針閥體軸向裂紋打開后兩側(cè)斷口宏觀形貌

2.2 斷口掃描電鏡分析

將圖2a、圖2c 所示A、B 側(cè)斷口放于掃描電鏡內(nèi)觀察。圖3a 為斷裂源區(qū)低倍形貌，圖3b 所示為源區(qū)放大，源區(qū)明顯可見顆粒異物，與斷口基體間有明顯分界，異物周圍有較多臺階。顆粒異物的尺寸約0.3 mm×0.2 mm，如圖3b 所示。圖3c、圖3d所示為匹配的B 側(cè)斷口低倍形貌以及源區(qū)形貌放大，可見匹配斷口上存在與顆粒物大小匹配的凹坑。

圖3 AB側(cè)斷口源區(qū)掃描電鏡形貌

圖4a 所示為斷口擴展區(qū)部分低倍形貌，可見明顯的放射紋。圖4b 所示為擴展區(qū)斷口放大后微觀形貌，為細(xì)致的韌窩形貌。

圖4 斷口擴展區(qū)掃描電鏡形貌

2.3 能譜分析

為了弄清源區(qū)顆粒物的成分，對其進(jìn)行能譜分析。分別進(jìn)行點掃描和面掃描分析。顆粒物處的能譜分析結(jié)果如圖5a 所示，主要元素為Zr、C、O，少量元素為Ca、Si、Al 等；斷口基體部分的能譜分析結(jié)果如圖5b 所示，主要元素為Fe、C、V、Cr、W、Mo，少量元素為S、Mn、Si 等。

圖5 斷口源區(qū)顆粒異物及斷口基體能譜分析結(jié)果

圖6 所示為斷口源區(qū)顆粒物處能譜面掃描結(jié)果。掃描區(qū)域如圖6a 所示，各元素的分布情況分別如圖6b～圖6e 所示，可見整個缺陷區(qū)呈紡錘形，該區(qū)域與Zr、O、Si、O 元素的分布有強烈相關(guān)性。

圖6 斷口源區(qū)顆粒異物處能譜面掃描結(jié)果

2.4 斷口金相分析

將A側(cè)斷口平行于斷口面磨制，其顆粒物截面的金相形貌如圖7a所示，在顯微鏡偏光下呈金黃色，抗腐蝕性強，與基體有明顯分界。圖7b為顯微鏡明光下顆粒物形貌，呈灰藍(lán)色，顆粒物硬度測試點，菱形尖端有顯微裂紋，可見其材質(zhì)較脆。圖7e為紡錘形缺陷區(qū)末端金相形貌，可見與圖7a顆粒物類似的小顆粒。

圖7 A側(cè)斷口斷裂源區(qū)金相形貌

2.5 硬度測試

顆粒物以及針閥體球頭基體處的硬度，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 針閥體內(nèi)顆粒物及基體顯微硬度

3 分析與討論

由上述檢測結(jié)果可知，針閥體開裂起源于球頭基體內(nèi)部異常顆粒（凹坑）處，顆粒周圍及斷口擴展區(qū)平整，擴展區(qū)可見明顯的從顆粒異物處為中心向四周擴散的放射紋。源區(qū)附近斷口的微觀特征為細(xì)密的韌窩形態(tài)，韌窩邊緣有變形碾壓痕跡。由于針閥體基體組織的特性（碳化物+細(xì)針狀馬氏體），其微觀疲勞特征不是典型的疲勞輝紋特征，而是細(xì)密的韌窩，但此韌窩與一次性斷口的韌窩特征有所區(qū)別：疲勞形態(tài)的韌窩邊緣有變形碾壓痕跡。由斷口分析的特征，結(jié)合車輛行駛里程判斷，該針閥體的失效模式是起源于異常顆粒處的低周疲勞開裂。

起源處的異常顆粒尺寸約為0.3 mm×0.2 mm，與針閥體基體間有明顯界面，經(jīng)能譜分析主要含Zr、O、C 元素，還有少量的Ca、Si 元素，而針閥體基體材質(zhì)為高速鋼ASP60，成分主要為Fe、C、V、Cr、W、Mo、Si、Mn 元素[3]，因此起源處的顆粒應(yīng)為外來的與基體材質(zhì)不一樣的夾渣。起源處顆粒附近區(qū)域經(jīng)能譜面掃描分析，從Zr、O 等元素的分布區(qū)域來看，顆粒附近應(yīng)是一個呈紡錘形的缺陷區(qū)，該缺陷區(qū)內(nèi)還含有其他較小的顆粒，該區(qū)域尺寸為1.7 mm×0.25 mm（長度×最寬處），在針閥體球頭處近似呈軸向分布，完全超過了整個針閥體的厚度截面。這樣大的夾渣出現(xiàn)在針閥體這樣精密的零件基體中是非常罕見的，直接導(dǎo)致針閥體的早期開裂失效，從而導(dǎo)致整個發(fā)動機報廢，損失極大。

進(jìn)一步溯源調(diào)查，該針閥體為粉末高速鋼ASP鋼，其生產(chǎn)工藝流程為：是由鋼液經(jīng)氮氣霧化制成平均粒度0.5 mm 的表面無氧化鋼粉，經(jīng)篩分，裝入有蓋的軟鋼包套中，然后抽真空并封焊。在冷等靜壓機中以高壓壓制成鋼坯，再經(jīng)熱加工成材[3]。經(jīng)調(diào)查，鋼液流過的霧化噴嘴，其材質(zhì)為高密度的氧化鋯，耐磨、耐熱、硬度較高。針閥體內(nèi)的夾渣即來源于該噴嘴，有可能是噴嘴材質(zhì)剝落、掉塊進(jìn)入鋼液內(nèi)，在后續(xù)冷卻后形成了紡錘形的夾渣。含有夾渣的鋼坯在后續(xù)的檢驗過程中未能有效地檢出并去除，被進(jìn)一步加工制造成為成品零件。

4 結(jié)論

a.噴油器針閥體開裂起源于球頭端材料內(nèi)部的紡錘形缺陷處，為低周疲勞開裂。

b.起源處的缺陷成分為Zr、O、Si、Ca，為原材料夾渣，來源于ASP 鋼生產(chǎn)過程中，霧化噴嘴（氧化鋯）材質(zhì)的掉落，混入了正常鋼液。