火花塞襯套開裂失效分析

關慧歡，張懷青，徐繼東

濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

某氣體機進行缸蓋密封性水壓試驗時，出現漏水問題，拆檢后發現火花塞襯套開裂。襯套材料是鑄造黃銅ZCuZn38（H62），為工業上廣泛使用的有色金屬合金[1]。工藝流程是：鑄造銅棒→熱壓力加工→機械加工→裝試。

2 試驗方法

采用OBLF直讀光譜儀對產生裂紋的襯套進行化學成分分析；采用Zeiss Axio金相顯微鏡進行金相檢驗，用線切割的方法截取樣品。采用配備有X射線能譜儀的Zeiss EVO18掃描電子顯微鏡對裂紋進行顯微觀察和微區成分分析。

3 試驗結果

3.1 化學成分測試

用直讀光譜檢測襯套化學成分，結果見表1。符合GB/T 1176—2013《鑄造銅及銅合金》要求。

表1 襯套的化學成分（質量分數） （%）

3.2 宏觀觀察

襯套有兩條裂紋，從襯套臺肩沿軸向向下延伸，裂紋較平直，近乎平行，臺肩倒角部位殘留有綠色密封膠。裂紋向臺肩內側延伸并逐漸變窄，如圖1所示，說明裂紋起源于臺肩外壁處，并向下和向內擴展。

圖1 襯套裂紋的宏觀形貌

3.3 微觀觀察

通過電鏡掃描，可以看到靠近襯套外表面有一層絮狀物，如圖2a、圖2b所示。并且可以看出整個裂紋斷口顯示為脆性斷裂：冰糖狀沿晶斷裂，少量部分穿晶，且晶界有腐蝕產物及細小腐蝕坑，腐蝕產物主要含O、Cu、Zn、Al，如圖2c、圖2d所示。人為撕裂的新鮮斷口拋物線型韌窩斷裂，且韌窩清晰、潔凈，斷裂形貌正常，如圖2e、圖2f所示。原始斷口可見沿軸向的層片狀條帶。

沿軸向研磨、拋光、腐蝕，觀察裂紋及金相組織情況，如圖3所示。裂紋呈不規則連續狀，有分叉、尾部較尖銳呈樹枝狀，與應力腐蝕裂紋的典型特征相吻合，因而我們初步判定該裂紋是應力腐蝕裂紋[2]。金相組織為α相+極少量點狀β相，且組織中有明顯的滑移線，裂紋襯套帶狀組織明顯。

圖2 襯套斷口掃描電鏡

圖3 裂紋處金相組織

3.4 有限元分析

襯套為過盈配合，過盈量：0.069~0.100mm，有限元分析襯套裝配應力（未安裝火花塞），圖4為襯套裝配態的第一主應力云圖，亮色區域為拉應力區。可見在襯套臺肩上方外壁與倒角外壁處和細頸內表面的拉應力較大，與實際裂紋起源位置一致。襯套細頸內表面拉應力雖然較大，但無密封膠，無應力腐蝕條件。

圖4 襯套裝配態的第一主應力云圖

4 結論與分析

襯套毛坯在工藝溫度650~800℃熱壓力加工成形后，放置在空氣中，自然冷卻至室溫。資料中介紹：所有黃銅在200~700℃[3]之間均有一個脆性區，熱壓力加工溫度應不低于700℃。下限溫度偏低，材料容易產生開裂傾向；毛坯成形難度增加，殘余應力較大[4]。

襯套在機械加工過程中，與刀具頻繁接觸、受力，尺寸發生變化，必然產生一定數量的殘余應力；數控機床精加工使用的切削液含有S、鹵族元素等添加劑，使得襯套在一定時間內處在潮濕、腐蝕環境中[3]。

襯套與缸蓋之間是過盈配合，壓力裝配后，在襯套臺肩上方外壁與倒角外壁處產生了較大的拉應力；裝配時涂在襯套臺肩處的密封膠基料為甲基丙烯酸酯，含有氨基催化劑，為襯套提供了弱腐蝕工作環境。缸蓋進行水壓密封試驗時，襯套臺肩外壁處受力，產生裂紋并迅速擴展；襯套細頸內表面拉應力雖然較大，但未接觸密封膠，應力腐蝕條件差。

5 結束語

1）襯套裂紋機制為應力腐蝕沿晶脆性開裂。

2）襯套裂紋集中出現在某月份，之前未出現批量裂紋故障，通過以上分析，確定襯套存在批次質量問題，襯套加工過程中殘余應力過大，導致襯套在裝配后附加拉應力及密封膠（或加工過程中切削液）弱腐蝕環境下發生應力腐蝕開裂。