摘 要:某１８CrNi８钢制针阀体在进行可靠性试验时,运行１０h即发生端面销孔开裂.通过宏 观检验、化学成分分析、扫描电镜分析、金相检验以及硬度测试等方法对销孔开裂的原因进行了分 析.根据结果得出:该针阀体销孔开裂模式为脆性断裂.由于热处理工艺不当,销孔表面碳势过高形成 了网状碳化物,不仅破坏了基体的连续性,还使得销孔部位成为高淬硬区,晶界被弱化,在内应力和 外加轴向应力作用下,裂纹萌生并继续扩展最后导致该销孔开裂.最后提出了相应的预防措施.
中图分类号:TG１６２．８ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８６４Ｇ０４
燃油喷射装置是柴油机的“心脏”,由喷油泵和 喷油器 两 部 分 组 成. 针 阀 体 是 喷 油 器 的 关 键 部 件[１],服役时处于高温、高压、冲击、腐蚀等恶劣的条 件下,所以要求其具有高耐磨性、高硬度、良好的尺 寸稳定性以及较高的接触疲劳强度[２].长型针阀体 的中孔直径与孔深的比值大,喷孔孔径小,在热处理 时极易形成网状碳化物,导致其力学性能大幅度降低, 甚至会出现沿晶开裂失效[３].因此对针阀体的材料和 热处理工艺提出了很高的要求.
某新装配完成的针阀体经发动机台架可靠性试 验运行１０h后,于阀体端面销孔处出现开裂.该针 阀体 材 料 为 １８CrNi８ 钢,其 加 工 流 程 为:棒 料 下 料→内外腔表面车加工→渗碳→淬火→深冷时效处 理→回火→内外密封面超精加工.其中热处理工艺 为:９００ ℃×４h固体渗碳→８８０ ℃×２．５h保温后 气淬→－１００ ℃×０．５h深冷处理→１８０ ℃×４h回 火保温.
该针阀体端面的宏观形貌如图１所示,其剖面 示意图如图２所示.由图１可见,两销孔裂纹附近 无明显塑性变形.图１中圆圈标注范围为针阀体端面与过渡块接触区域,经装配后过渡块向针阀体施 加的轴向压力约为３００００N.
使用MAXxLMM１５型直读光谱仪对开裂针阀体进行化学成分分析,结果如表１所示,可见各元素 含量均符合企业技术方面的要求.
使用蔡司SIGMA 型扫描电子显微镜(SEM)对 左、右销孔内侧和外侧的裂纹微观形貌进行观察. 由图３可见,两销孔附近均有裂纹产生,且裂纹向外 扩展至针阀体外圆面,向内未扩展至中心孔.
销孔开裂处的断面 SEM 形貌如图４所示,可 见断口呈暗灰色,裂纹沿晶界扩展,为典型的沿晶断 裂特征.
在针阀体左、右销孔裂纹横截面处截取金相试 样,经磨制、抛光后,采用体积分数为４％的硝酸酒 精溶液进行浸蚀,使用 NJFＧ１２０A 型光学显微镜观 察其显微组织形貌.左销孔附近的显微组织如图５ 所示,可见 其 表 层 显 微 组 织 为 碳 化 物 ＋ 残 余 奥 氏 体＋针状马氏体,心部组织为低碳马氏体,且存在单个灰色的端部呈圆角的夹杂物,尺寸约为９．８μm; 右销孔附近 的 显 微 组 织 如 图 ６ 所 示,可 见 其 表 层 显微组织为 残 余 奥 氏 体 ＋ 针 状 马 氏 体,碳 化 物 呈 网状及角状,心部组织为低碳马氏体,无非金属夹 杂物.
该针阀体的显微组织应符合JB/T９７３０－２０１１ «柴油机喷油嘴偶件、柱塞偶件、出油阀偶件、金相检 验»的规定,即马氏体(细针状)和残余奥氏体(中等 含量)≤２级,碳化物(块状＋颗粒状碳化物,弥散分 布)≤２级时合格.可见右销孔表层的网状及角状 碳化物不符合要求.
使用４０２MVD型数字式显微硬度计测定针阀 体端面销孔的硬度,结果如表２所示.可见销孔的 硬度符合 GB/T４３４０．１－２００９«金属材料 维氏硬度 试验 第１部分:试验方法»的技术方面的要求,但硬度值整 体偏高,换算后为６１~６２HRC.
使用４０２MVD型数字式显微硬度计测量针阀 体 端 面 有 效 硬 化 层 深 度,结 果 为 ０．４９ mm/ ５５０HV１.可见该针阀体端面的有效硬化层深度符 合 GB/T９４５０－２００５«钢件渗碳淬火硬化层深度的 测定和校核»规定的０．４~０．６mm/５５０HV１的技术 要 求. 通 过 测 量 可 得 销 孔 与 外 圆 间 壁 厚 约 为 ０．５５mm,说明整个销孔几乎被渗透.
由上述分析结果可知,该针阀体销孔的化学成 分、硬度、有效硬化层深度均符合技术方面的要求.
宏观及微观形貌分析表明,该销孔发生了脆性 断裂,裂纹起源于销孔外表面.销孔属于细盲孔,在 渗碳过程中若要保证中孔和端面渗碳层深度达到技 术要求,销孔表面的渗碳层就会过深,造成该部位碳 势偏高,出现角状及网状碳化物.碳化物硬而脆,是 脆性相[４Ｇ５],当碳化物数量增加且呈网状聚集时,表 面渗碳层的强度、接触疲劳强度及耐磨性会降低,而 脆性明显地增加,导致此处极易产生应力集中,形成裂 纹源.网状碳化物脆性大,与基体间的界面结合力 差,对基体的割裂作用明显,破坏了基体的连续性, 极大地削弱了晶界强度,造成材料脆化[６],裂纹易萌 生.此外,针阀体渗碳淬火时,由于端面销孔细小且 为盲孔,淬火介质难以形成对流,销孔处于半封闭状 态,其外表面冷却快,内孔冷却慢,会产生一定内应力[７].在装配过程中,销孔处还会受到较大的轴向 力.在上述应力综合作用下裂纹加速扩展,最终导 致销孔开裂.
该针阀体销孔的开裂模式为脆性断裂,大量硬 而脆的网状碳化物的存在是引起销孔开裂的主要原 因;销孔本身属于细盲孔结构,渗碳不易控制,不合 理的热处理工艺极易形成网状碳化物,割裂基体,极 大地增加了组织脆性;淬火时的热应力、相变应力以 及销孔自身设计不合理也是导致销孔开裂的因素.
在针阀体进行渗碳处理时,应降低渗碳碳势,避 免产生 网 状 碳 化 物,建 议 将 原 渗 碳 工 艺 中 碳 势 １．３５％改为１．０５％;采用对细孔、盲孔有利的真空渗 碳技术,有利于得到硬度梯度分布和碳含量分布比 较平缓的渗碳层,从而避免形成高淬硬区,降低应力 集中;改进加工工艺,对销孔渗碳后再进行机械加 工,去除部分渗碳层;增大销孔孔径至１．６mm 有利 于渗碳气氛流通,避免网状碳化物的形成;严格冷处 理及回火处理规范,适当延长回火时间,将原回火时 间改为６h,充分回火可减少自身内应力的影响.
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