康明斯發(fā)動機排氣管內(nèi)表面耐久試驗氧化現(xiàn)象分析與研究

保定長城內(nèi)燃機制造有限公司 （河北 072650） 郭全領(lǐng)

1.概述

康明斯電控柴油發(fā)動機經(jīng)1000h耐久試驗后，對發(fā)動機零件排氣管外觀檢測（見圖1），發(fā)現(xiàn)排氣管內(nèi)表面產(chǎn)生氧化層脫落現(xiàn)象（見圖2、圖3），同時發(fā)現(xiàn)經(jīng)500h耐久試驗后，增壓器與排氣管的聯(lián)接螺栓焊死在增壓器上（見圖4），造成增壓器報廢，更換新增壓器后耐久性試驗得以繼續(xù)進(jìn)行。

2.分析研究目的

檢測1000h耐久試驗后排氣管變形量，是否有裂紋產(chǎn)生，以及分析排氣管氧化起皮的原因，排氣管氧化起皮的壁厚，分析增壓器與排氣管聯(lián)接螺栓焊死的原因。

3.技術(shù)分析報告內(nèi)容

（1）檢測1000h耐久試驗后排氣管變形量 采用三坐標(biāo)測量儀測量1000h耐久試驗后的排氣管變形量，即測量排氣管增壓器面相對于管口面的垂直度。測量結(jié)果顯示，排氣管1000h耐久試驗后，以排氣管管口面為基準(zhǔn)，其增壓器面垂直度偏差為0.010mm、0.011mm，變形量小于產(chǎn)品要求，而管口面垂直度允許誤差為0.13mm，實際值為0.059～0.13mm，均滿足用戶使用過程中的排氣管拆裝、密封要求。

需說明的是，由于檢測分析方面的問題，排氣管先從中間鋸開，后進(jìn)行變形量的測量，故可能會產(chǎn)生測量誤差。

（2）檢測1000h耐久試驗后排氣管裂紋 通過對排氣管內(nèi)外表面仔細(xì)目測，沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋現(xiàn)象。

（3）檢測分析1000h耐久試驗后排氣管氧化起皮的原因 根據(jù)產(chǎn)品要求，1000h耐久試驗排氣管材質(zhì)力學(xué)性能、化學(xué)成分及組織技術(shù)要求及檢測結(jié)果見表1。從中可以看出，各項指標(biāo)均滿足產(chǎn)品材料規(guī)定要求。

檢測1000h耐久試驗后氧化起皮處，同包次澆注排氣管金相組織和毛坯件相同部位的組織如圖5～圖8所示。從中可以看出，除了試驗件表面氧化外，排氣管石墨和基體組織試驗前后均滿足產(chǎn)品要求，試驗前后金相組織沒有明顯變化。

表1 排氣管鑄件材質(zhì)力學(xué)性能、化學(xué)成分及組織要求

根據(jù)相關(guān)對非合金球墨鑄鐵氧化傾向的研究，非合金球墨鑄鐵（見圖9，試驗溫度700℃，試驗時間500h）氧化傾向比QTRSi4Mo牌號的排氣管大，這因為QTRSi4Mo牌號屬于中等耐熱鑄鐵，化學(xué)成分中Si含量高于非合金球墨鑄鐵。

（4）檢測分析排氣管試驗氧化前后壁厚的變化情況 為了分析排氣管氧化前后壁厚的變化情況，我們又解剖了同一爐次生產(chǎn)的另外一件排氣管毛坯件，壁厚對比如下，對比測量結(jié)果見圖10及表2。由表2可以看出，測量的排氣管試驗前后的管壁有效尺寸滿足產(chǎn)品尺寸要求。

氧化層起皮厚度為0.2～0.5mm。

表2 排氣管試驗前后的壁厚尺寸對比

4.球墨鑄鐵高溫氧化機理分析與討論

（1）鑄鐵的高溫氧化特點 同許多金屬一樣，鑄鐵的金屬基體在高溫氧化性氣氛下會氧化。鑄鐵組織中除了金屬外通常還有石墨，鑄鐵的氧化是金屬基體氧化和石墨燒損的綜合結(jié)果，二者相互影響。鑄鐵的氧化取決于化學(xué)成分，以及石墨形態(tài)和數(shù)量。

（2）鑄鐵氧化膜結(jié)構(gòu) 鑄鐵氧化時，表面形成一層或多層氧化膜。該氧化膜的致密性、穩(wěn)定性及與鑄鐵的附著性決定了氧化膜是否具有保護鑄鐵的能力。鑄鐵氧化膜的結(jié)構(gòu)與鑄鐵的化學(xué)成分，以及形態(tài)有關(guān)。

由圖9可以看出，非合金球墨鑄鐵的氧化膜致密性、穩(wěn)定性、附著性較差（需要說明的是球墨鑄鐵比灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵抗氧化性優(yōu)良），因此通過加入合金元素改變氧化膜結(jié)構(gòu)，提高其致密性、穩(wěn)定性、附著性，可以提高球墨鑄鐵的抗氧化性能。試驗證明，當(dāng)球墨鑄鐵中wSi＞4.5%、wCr＞2%、wNi＞20%時，可以顯著提高球墨鑄鐵氧化膜的致密性、穩(wěn)定性、附著性，提高球墨鑄鐵的抗氧化性能。例如，QTRSi5耐熱鑄鐵與奧氏體耐熱球墨鑄鐵相比， QTRSi5耐熱鑄鐵硬度高，加工性差，脆性大，而奧氏體耐熱球墨鑄鐵性能優(yōu)良。綜合比較而言，QTRSi4Mo具有較好的綜合性能，其抗變形性、抗裂性較好，雖然抗氧化比上述兩種球墨鑄鐵差些，但是抗氧化能力通過710～740℃的1000h耐久試驗，根據(jù)上述QTRSi4Mo排氣管壁厚尺寸測量，分析認(rèn)為能滿足發(fā)動機設(shè)計的壽命期內(nèi)的要求，因此耐久試驗后的QTRSi4Mo排氣管出現(xiàn)的氧化起皮（0.5mm）現(xiàn)象，對于排氣管壽命周期內(nèi)來說屬于正常現(xiàn)象，另一個重要的因素是QTRSi4Mo排氣管加工性能好，制造成本相對低，故考慮到以上因素，從這次QTRSi4Mo排氣管耐久性試驗表現(xiàn)的結(jié)果來看，是合格的，部分部位出現(xiàn)的起皮現(xiàn)象也是正常的。如果要徹底解決該問題，需改變材質(zhì)，采用抗氧化性更好的耐熱性球墨鑄鐵，例如將QTRSi4Mo的硅量（重量分?jǐn)?shù)）從3.8%～4.2%提高至4.5%～5.5%，或直接采用QTRSi5耐熱鑄鐵、奧氏體耐熱球墨鑄鐵。

（3）部分部位出現(xiàn)的起皮現(xiàn)象分析 經(jīng)過這次耐久性試驗后，QTRSi4Mo排氣管內(nèi)表面——氣流通道面，部分表面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象是因為QTRSi4Mo屬于中等耐熱性材料，具有一定的耐熱性和抗氧化性，如果是普通球墨鑄鐵排氣管材料，經(jīng)過這樣的耐久性試驗后，則其內(nèi)表面會出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化起皮——全部內(nèi)表面出現(xiàn)起皮，氧化起皮厚度更厚，排氣管有效壁厚明顯降低，但對于QTRSi4Mo球墨鑄鐵排氣管來說，這種現(xiàn)象明顯較弱。部分部位出現(xiàn)起皮現(xiàn)象的原因是：鑄鐵高溫氧化速度取決于供氧量，供氧量越大，高溫氧化越嚴(yán)重，排氣管出現(xiàn)起皮部位是溫度較高部位、拐彎部位，這些部位渦度大、供氧量更充分，因此加速了鑄鐵氧化速度，故易出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。

關(guān)于500h耐久試驗后增壓器與排氣管的聯(lián)接螺栓焊死現(xiàn)象，分析認(rèn)為由于試驗溫度高（710～740℃），螺栓螺紋內(nèi)存在不耐高溫、不耐氧化的物質(zhì)，該物質(zhì)高溫膨脹或氧化膨脹，從而產(chǎn)生了聯(lián)接螺栓焊死現(xiàn)象。

5.結(jié)語

根據(jù)以上檢測分析和討論，可以得出以下結(jié)論。

（1）排氣管經(jīng)710～740℃的1000h耐久試驗后，排氣管沒有裂紋，裝配尺寸變形較小，滿足產(chǎn)品尺寸要求。

（2）耐久試驗后，鑄件壁厚尺寸滿足產(chǎn)品要求，局部出現(xiàn)的氧化起皮現(xiàn)象，屬于正常現(xiàn)象，能滿足排氣管壽命周期內(nèi)的使用要求。

（3）耐久試驗后，內(nèi)部金相組織合格，滿足產(chǎn)品要求。

（4）如要徹底解決排氣管氧化起皮問題，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，則需改變材質(zhì)，采用抗氧化性更好的耐熱球墨鑄鐵，但會增加不小的制造成本。

（20130122）