彈性圓柱銷斷裂原因分析

史秋月，顏士杰，馬冬威

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰 442002；2.神龍汽車有限公司，湖北武漢 430058)

0 引言

彈性圓柱銷又稱彈簧銷，是一種無頭中空的柱形體，軸向開槽，兩頭端部有倒角，用于定位搖臂，防止搖臂脫落，如圖1所示。搖臂為配氣機(jī)構(gòu)的氣門傳動組零件的重要組成之一，是配氣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵性部件，對發(fā)動機(jī)的正常工作起著至關(guān)重要的作用，用來改變推桿或凸輪傳來的力的方向，作用到氣門桿端以推開氣門，搖臂在其擺動的過程中承受很大的彎矩，工作溫度接近200 ℃。彈性圓柱銷主要受搖臂搖擺過程中所受的震動剪切力及搖臂工作時的溫度環(huán)境影響。

某卡車在行駛10萬千米左右，車出現(xiàn)異響，拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)搖臂總成3缸、6缸附近搖臂軸上彈性圓柱銷斷裂，彈性圓柱銷斷裂后排氣搖臂與發(fā)動機(jī)罩蓋產(chǎn)生碰撞，致使發(fā)動機(jī)罩蓋出現(xiàn)磨損。標(biāo)準(zhǔn)件彈性圓柱銷形狀及工作狀況如圖2所示，使用過程有潤滑。彈性圓柱銷為標(biāo)準(zhǔn)件，材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，外徑3 mm，淬火并低溫回火硬度為420～520HV30。

圖1 彈性圓柱銷裝配工作圖

1 檢驗(yàn)方法

對斷裂彈性圓柱銷的斷口面進(jìn)行清洗，觀察宏觀斷口形貌，并對斷面進(jìn)行觀察分析。將斷裂的彈性圓柱銷用掃描電鏡及能譜進(jìn)行斷口微觀形貌及成分分析，從3個不同的位置銼屑由ICP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析化學(xué)成分，沿?cái)嗔言次恢脧较蚰ブ平鹣啵瑨伖夂笥?%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察分析，并用顯微硬度計(jì)在3個不同的徑向位置測試分析硬度的分布情況。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

(1)根據(jù)GB/T 879.1-2000彈性圓柱銷標(biāo)準(zhǔn)，該彈性銷成分要求：C≥0.65，Mn≥0.5。該零件化學(xué)成分由ICP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析得出，其結(jié)果如表1所示，可見該產(chǎn)品成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成分實(shí)測值

2.2 斷口形貌及微區(qū)成分分析

對斷裂銷經(jīng)超聲波反復(fù)清洗后觀察，如圖3所示。

圖3 斷裂銷SEM斷口形貌

圖3(a)為宏觀斷口形貌，斷面外緣有多個裂紋擴(kuò)展臺階，初步判斷為外緣多點(diǎn)起源斷裂，斷面外緣有大量積碳，斷面嚴(yán)重磨損；圖3(b)為裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)(斷面外環(huán)1/3區(qū))，都有大量大小不一的腐蝕坑；圖3(c)為斷裂銷外表面形貌，可見外表面腐蝕坑明顯；圖3(d)為斷面擴(kuò)展區(qū)次層形貌,呈現(xiàn)明顯的疲勞輝紋；如圖3(e)所示，近內(nèi)側(cè)連接疲勞輝紋的裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)沿晶斷裂形貌特征；圖3(f)為斷裂區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理+局部沿晶形貌特征。上述觀察表明，斷裂形貌具有典型的應(yīng)力腐蝕特征。

圖4為斷裂銷腐蝕坑微區(qū)EDS成分。可見，腐蝕坑中除了K、Na、Ca、O等元素形成氧化腐蝕之外，腐蝕產(chǎn)物中還有S、Cl等元素，由于彈性圓柱銷工作過程中除了有潤滑脂潤滑之外，還和發(fā)動機(jī)排除的部分廢氣接觸，此過程帶來S、Cl等腐蝕性離子，由于這些元素半徑較小且吸附力強(qiáng)，易于在金屬表面富集，且彈性圓柱銷裝配時有預(yù)應(yīng)力，工作工程中有震動引起的剪切應(yīng)力等，使其具備應(yīng)力腐蝕條件。

2.3 金相組織分析

圖5是斷裂銷外緣不同位置的金相組織。

圖4 斷裂銷腐蝕坑微區(qū)成分

圖5 斷裂銷外緣不同位置的金相組織

可見近斷面表層和芯部組織均為針狀馬氏體，另外表層腐蝕深度達(dá)5～10 μm(如圖5中標(biāo)示)，有延晶界腐蝕和不同形態(tài)的點(diǎn)腐蝕坑，在應(yīng)力的作用下延此位置形成裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度，應(yīng)力超過了材料的允許強(qiáng)度，即發(fā)生斷裂。

2.4 硬度分析

硬度測試如表2所示，在磨制的金相樣截面取4個不同的經(jīng)度，由外側(cè)向內(nèi)側(cè)等距測得顯微硬度值。硬度值基本符合技術(shù)要求，但偏上限，會增加應(yīng)力腐蝕的敏感性。

表2 顯微硬度測試值 HV

3 結(jié)論

綜合上述分析，腐蝕產(chǎn)物中有S、Cl等元素，可能潤滑劑中含有此腐蝕性離子，由于這些元素半徑較小且吸附力強(qiáng)，易于在金屬表面富集，且彈性圓柱銷裝配時有預(yù)應(yīng)力，使用過程中有切應(yīng)力，使其具備應(yīng)力腐蝕條件。在S、Cl離子和應(yīng)力的聯(lián)合作用下零件表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕，應(yīng)力越大點(diǎn)蝕越快，在工作應(yīng)力作用下點(diǎn)蝕坑發(fā)展成裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，應(yīng)力超過材料允許載荷，零件在早期發(fā)生應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂。另外材料硬度值偏上限，會增加應(yīng)力腐蝕敏感性。建議更換材料或者在搖臂與彈性圓柱銷之間增加彈性墊片，緩沖切應(yīng)力。