VDSiCrV鋼氣門彈簧斷裂原因分析

(山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 先進(jìn)材料測試與制造平臺, 濟南 250061)

氣門彈簧是保證汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)正常工作的關(guān)鍵部件，氣門彈簧的質(zhì)量與性能直接影響著發(fā)動機的運行安全及工作效率[1]。某汽車使用3 a(年)，行駛里程近104km，在行駛過程中發(fā)動機氣門彈簧發(fā)生斷裂，導(dǎo)致發(fā)動機損壞嚴(yán)重，該發(fā)動機氣門彈簧材料為VDSiCrV鋼。

筆者對斷裂的氣門彈簧進(jìn)行了檢驗與分析，找出了斷裂原因，以期防止此類事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂的氣門彈簧直徑為8.5 mm，兩端磨平，在上端疏部3～4圈交界處發(fā)生斷裂，如圖1所示。可見斷口與彈簧的軸線方向呈45°，無明顯塑性變形，呈現(xiàn)出宏觀脆性斷口特征。

1.2 化學(xué)成分分析

采用東儀DF-200型電火花直讀光譜儀對斷裂氣門彈簧進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見斷裂氣門彈簧的化學(xué)成分符合GB/T 18983—2017 《淬火-回火彈簧鋼絲》中對VDSiCrV鋼的成分要求。

1.3 金相檢驗

在斷裂氣門彈簧的斷口處橫向截取試樣，試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，然后置于MA1001型金相顯微鏡和SU-70型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)下觀察，斷口處的顯微組織形貌如圖2所示。可見斷口表面無脫碳, 無石墨化現(xiàn)象[圖2 a)]，斷口處顯微組織為回火索氏體[圖2 b)]，圖2 c)為斷口處的高倍形貌，可見組織已初步失去針狀馬氏體形態(tài)，這說明該氣門彈簧在回火時溫度略高。

圖1 斷裂氣門彈簧的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured valve spring

表1 斷裂氣門彈簧的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured valve spring (mass fraction) %

圖2 斷裂氣門彈簧斷口處顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of fracture of the fractured valve spring: a) microstructure of surface; b) microstructure of core; c) microstructure of core at high magnification

1.4 夾雜物分析

斷裂氣門彈簧的夾雜物形貌如圖3所示，根據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，可知該斷裂氣門彈簧的夾雜物含量符合要求。

1.5 硬度測試

對斷裂氣門彈簧進(jìn)行維氏硬度測試，測得硬度為520 HV0.2，換算成洛氏硬度為50.5 HRC，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度與強度的換算關(guān)系》，換算得出該斷裂氣門彈簧的抗拉強度為1 739 MPa。而在GB/T 18983—2017 中 VDSiCrV 鋼的抗拉強度要求值為1 810～1 960 MPa，可知該斷裂氣門彈簧的強度略低于標(biāo)準(zhǔn)強度要求的下限。

1.6 掃描電鏡分析

采用SEM對該斷裂氣門彈簧的斷口進(jìn)行觀察，如圖4所示。圖4 a)可見斷口具有明顯扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特點，彈簧內(nèi)側(cè)位置Ⅰ處存在一顆粒狀夾雜物，在此處引起應(yīng)力集中，是疲勞裂紋起源處[2-4]；裂紋以夾雜物為核心向四周放射狀擴散，如圖4 b)所示，夾雜物直徑約為20 μm，采用能譜分析其成分，結(jié)果見表2，該夾雜物主要為鎂、鋁、鈣及硅的混合物；圖4 a)中位置Ⅱ處為裂紋擴展區(qū)，斷口中間為一平坦的凸臺，裂紋沿彈簧內(nèi)側(cè)面向外側(cè)面扭轉(zhuǎn)擴展，具有明顯的疲勞輝紋特征，如圖4 c)所示；高倍下擴展裂紋呈梯度臺階狀，呈剪切韌窩狀，是受扭轉(zhuǎn)剪切力造成的，如圖4 d)所示；該斷裂氣門彈簧的斷口具有典型的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特征[5]。

圖4 斷裂氣門彈簧的斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of the fractured valve spring: a) SEM morphology of fracture；b) crack source area; c) crack propagation area; d) dimple morphology

表2 夾雜物的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the inclusion (mass fraction) %

1.7 表面質(zhì)量分析

斷裂氣門彈簧的表面發(fā)生了明顯的腐蝕，如圖5 a)所示，其表面分布著許多細(xì)小的麻點，麻點的深度達(dá)到10 μm以上，如圖5 b)所示。對腐蝕物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3，可見該腐蝕物主要為氧化鐵，在腐蝕點處未見明顯裂紋。

表3 腐蝕物的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Chemical compositions of the corrosion products (mass fraction) %

2 分析與討論

該斷裂氣門彈簧的斷口形貌具有明顯的裂紋源區(qū)與疲勞擴展區(qū)，裂紋源是從彈簧內(nèi)側(cè)夾雜物處向外側(cè)面扭轉(zhuǎn)擴展，疲勞輝紋明顯，斷口呈現(xiàn)出典型的扭轉(zhuǎn)疲勞特征。斷裂氣門彈簧的化學(xué)成分與夾雜物都在正常范圍。JB/T 10591—2007《內(nèi)燃機 氣門彈簧 技術(shù)條件》中要求氣門彈簧的顯微組織一般為回火屈氏體，而該斷裂彈簧中的顯微組織初步失去了針狀馬氏體特征，說明回火時溫度略高，這也導(dǎo)致了該斷裂氣門彈簧的硬度略低。該氣門彈簧的強度換算值為1 739 MPa，低于GB/T 18983—2017 中要求的強度下限1 810 MPa。

該斷裂氣門彈簧的斷口宏觀形貌顯示，在彈簧內(nèi)側(cè)淺表面200 μm處存在直徑約為20 μm的夾雜物。彈簧在伸長和壓縮周期過程中，在夾雜物處應(yīng)力趨于高度集中，因此在此處萌生裂紋，該處成為裂紋源區(qū)，這是導(dǎo)致彈簧產(chǎn)生早期疲勞斷裂的主要原因[6-8]。

該斷裂氣門彈簧的表面氧化腐蝕嚴(yán)重，形成大量的腐蝕麻點，腐蝕深度達(dá)到10 μm，減少了彈簧的有效承載面積，這也是導(dǎo)致氣門彈簧早期疲勞斷裂的主要原因之一。

3 結(jié)論及建議

彈簧內(nèi)側(cè)淺表面冶金缺陷(夾雜物)、材料硬度值偏低和表面氧化腐蝕等諸多因素共同作用，導(dǎo)致了該氣門彈簧發(fā)生了早期疲勞斷裂。

建議提高氣門彈簧的冶金質(zhì)量，減少夾雜物數(shù)量；嚴(yán)格控制熱處理工藝，保證彈簧強度；對彈簧的表面進(jìn)行抗腐蝕處理，提高其耐腐蝕能力。