某重卡發動機進氣軟管開裂原因分析

薛天柱, 朱兮倩, 柯增權

(陜西重型汽車有限公司 理化計量檢測中心, 西安 710200)

發動機進氣軟管(以下簡稱進氣軟管)采用多層材料結構，即中間纏繞彈簧鋼絲(以下簡稱鋼絲)作為加強骨架，內外兩側包裹滌棉混紡布涂橡膠材料，表面橡膠為三元乙丙橡膠。生產工藝為：滌棉混紡布涂橡膠→軟管胎具整體纏繞涂膠滌棉混紡布(管口一層，管身可多層)→管口部分纏繞橡膠層，管身纏繞鋼絲→再次整體纏繞涂膠滌棉混紡布(管口一層，管身可多層)→硫化成型→脫模→修邊→成品→抽檢耐“正、負”壓力→入庫→出廠[1-4]。

進氣軟管安裝在重卡發動機的進氣口與空濾器的出氣口之間，企業技術要求其應承受不小于20 kPa的負壓。某重型卡車的發動機進氣軟管在使用6個月左右即發生了多處破損開裂現象，進氣軟管開裂后，粉塵等異物從裂口處進入發動機，使發動機產生異常磨損。筆者對開裂進氣軟管進行了理化檢驗和分析，找出了開裂原因并提出了改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂進氣軟管宏觀形貌如圖1所示，可見軟管沿周向撕裂，管體外表面多處隆起。進氣軟管內、外表面未發現龜裂，但內包裹層兩面涂膠均出現了嚴重脫落露白現象，如圖3和圖4所示。

進一步觀察，可見進氣軟管撕裂口處鋼絲發生了斷裂；再將表面未破裂隆起部位割開，該處鋼絲也同樣發生了斷裂，如圖5所示。由此不難理解，鋼絲在發生斷裂后斷口處張開，使得軟管鼓包從而出現外表面隆起現象，再經過長時間運行，尖銳的鋼絲斷口便將軟管膠布層沿周向割裂。鋼絲斷口附近及鋼絲表面均存在較嚴重的銹蝕現象，呈淺褐色和暗褐色。

圖1 開裂進氣軟管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked intake hose

圖2 軟管外表面鼓包處宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the bulge on the hose outer surface

圖3 軟管內表面脫膠處宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the degumming area on the hose inner surface

圖4 軟管內層黏合面脫膠處宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the degumming area of the bonding surface of the hose inner layer

圖5 進氣軟管鼓包處鋼絲宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of steel wire at the bulge of intake hose

1.2 鋼絲理化檢驗

1.2.1 鋼絲化學成分分析

對斷裂鋼絲進行化學成分分析，結果見表1，可見各元素含量均符合YB/T 5311—2010《重要用途碳素彈簧鋼絲》對E類鋼絲的成分要求。

表1 斷裂鋼絲的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured steel wire (mass fraction) %

1.2.2 鋼絲抗拉強度

在失效軟管上截取未斷裂的一段鋼絲進行拉伸試驗，結果見表2，可見鋼絲的抗拉強度遠低于YB/T 5311—2010中E類鋼絲的抗拉強度要求。取庫存的未使用的進氣軟管鋼絲進行拉伸試驗，抗拉強度為1 982 MPa,符合YB/T 5311—2010的技術要求。

表2 鋼絲的抗拉強度Tab.2 Tensile strength of the steel wire MPa

1.2.3 鋼絲金相檢驗

鋼絲的顯微組織形貌如圖6所示，可見鋼絲的細小索氏體組織經過強烈的冷拉塑性變形呈現出細密的纖維狀形貌[2]，硬度為497 HV1,各類夾雜物均為0.5級，表明其顯微組織正常。

圖6 鋼絲的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the steel wire

1.2.4 鋼絲斷口分析

(1) 宏觀分析

鋼絲斷口分為兩部分，如圖7 a)所示，一部分為垂直于鋼絲軸線的橫向斷裂平臺及一小段沿軸線的斷口部分，該部分面積較小、表面粗糙，該區域銹蝕嚴重;另一部分為裂紋失穩擴展沿軸線縱向發展并逐漸傾斜至最后斷裂的區域，該區域銹蝕較輕。圖7 b)為鋼絲表面的銹蝕形貌，可見暗褐色的銹蝕表面存在數量較多的銹蝕坑。

圖7 鋼絲斷口處和銹蝕表面的宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of a) fracture and b) rusted surface of the steel wire

(2) 微觀分析

對鋼絲斷口進行掃描電鏡(SEM)分析，圖8為平臺部分的斷口形貌，可見斷口呈現泥紋狀花樣。圖9是布滿細密拉痕的鋼絲表面形貌，可見在腐蝕坑附近存在較多微裂紋。為方便斷口分析，采用膠黏方法對斷口表面進行了清理，再用丙酮、超聲波進行清洗。圖10表明斷裂起源于鋼絲銹蝕表面，具有多源特征，放射性擴展形成斷口平臺區后沿軸線擴展。清洗后的顯微斷口，盡管因為銹蝕因素及其殘留物的影響，不能清晰顯示斷口微觀形貌特征，但是仍可以排除疲勞輝紋、沿晶斷裂，大致顯示出準解理斷裂特點。

圖8 鋼絲斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the steel wire fracture:a) at low magnification; b) at high magnificaiton

圖9 鋼絲表面銹蝕坑SEM形貌Fig.9 SEM morphology of rusted pits on the steel wire surface

圖10 鋼絲斷口裂紋源SEM形貌Fig.10 SEM morphology of the crack source of the steel wire fracture:a) at low magnification; b) at high magnification

失穩區縱裂部位的微觀形貌如圖11所示，呈準解理形貌，顯示出纖維狀特點，結合金相檢驗結果，可知冷拉性能的各向異性，使得裂紋更易于沿變形方向的某個晶面進行。

圖11 縱裂部位SEM形貌Fig.11 SEM morphology of the longitudinal crack part

對斷口進行能譜(EDS)分析，分析位置和分析結果如圖12所示，結果表明鋼絲斷口發生了氧化銹蝕。另外，斷口處碳元素含量很高，分析認為腐蝕產物中存在碳酸根或碳酸氫根離子。

圖12 鋼絲斷口EDS分析位置及結果Fig.12 EDS analysis a) position and b) results of the steel wire fracture

1.3 進氣軟管壁厚測量及耐壓測試

開裂進氣軟管的最薄處壁厚為1.0 mm，符合圖紙設計要求。對庫存進氣軟管進行耐壓試驗，其“正、負”壓力達到耐負壓不小于2 MPa，正壓不小于1 MPa，符合設計要求。

1.4 軟管隆起原因分析

與軟管生產廠家對軟管隆起原因進行聯合分析，認為在膠布涂膠過程中，壓延機使用的潤滑油滴落在膠布表面，使其在布層及橡膠層之間形成了一層油膜，在后期軟管硫化過程中使得布層和膠層之間局部橡膠硫化黏合受到影響，局部膠布黏合強度降低，在產品實際使用過程中因軟管受負壓、振動等因素而發生脫膠現象。另外，對與失效軟管同批次及前后批次的軟管進行了調查，此類問題未再次出現，說明軟管脫膠現象為偶發事件。

2 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知，進氣軟管中的鋼絲斷裂是引起軟管開裂失效的主要原因，但是鋼絲化學成分、金相檢驗結果、鋼絲直徑等都是合格的，而且同一工藝制造的相同進氣軟管耐壓試驗結果及鋼絲強度也滿足技術要求。但在開裂軟管上截取的鋼絲的抗拉強度顯著低于標準要求，僅有1 235 MPa。根據鋼絲斷口特征，著重研究鋼絲銹蝕的產生及其與鋼絲斷裂的關系。首先，銹蝕既可能是軟管破裂后由鋼絲外露造成的，也可能是生產過程中由鋼絲生產、存放等因素造成的。由圖5可知，進氣軟管隆起處并沒有明顯破裂現象，但是在割開后發現該處大面積區域鋼絲與里外包裹層黏合不良，鋼絲表面存在嚴重氧化銹蝕現象，這說明鋼絲不是在軟管破裂后才發生銹蝕的。對鋼絲未斷裂表面腐蝕部位進行觀察，腐蝕坑深約0.015 mm，整個鋼絲斷口表面幾乎都被銹蝕，因而可以排除銹蝕是由生產、存放引起的，加之銹蝕產物能譜分析結果主要是氧、碳元素，硫含量很低，所以也不是橡膠硫化處理引起的。軟管內包裹層兩面均出現嚴重脫膠現象，使得滌棉混紡布表面失去防護，進氣通過滌棉混紡布空隙與鋼絲發生接觸。

應力腐蝕斷裂(SCC)是在拉應力與特定腐蝕環境共同作用下的一種脆性低應力破壞，拉應力也包括了材料的殘余應力。應力腐蝕及由應力腐蝕引起的彈簧鋼絲失效得到了業界的普遍重視和研究[5-9]，這些研究表明，冷拉鋼絲由于材料缺陷濃度增加、表面存在殘余拉伸應力，其對應力腐蝕具有敏感性，彈簧鋼絲具有較高的強度，而隨著強度的增加，應力腐蝕敏感性增加；在應力腐蝕破壞中，高強度材料自身或者環境中產生的氫原子具有重要影響；同時，材料成分、組織、表面狀態都對應力腐蝕有直接或間接影響；碳酸鹽及碳酸氫鹽溶液被認為是碳鋼和低合金鋼產生SCC的敏感環境。

綜合上述分析和銹蝕產物能譜分析結果，認為該進氣軟管彈簧鋼絲的斷裂是應力腐蝕斷裂。進氣軟管在工作中管內是負壓狀態(發動機工作時產生吸氣，空氣通過進氣軟管進入發動機，但因軟管前端的空濾器濾芯等部件形成氣阻，使軟管內形成負壓，在氣阻一定的條件下，發動機功率增加，負壓隨之增加)，由于內外壓差作用受到來自外部的大氣壓力，因而其鋼絲橫截面存在彎曲應力(其中，外側是拉應力)。高強度的冷拉彈簧鋼絲的應力腐蝕開裂臨界應力較低，在包裹層脫膠情況下，由于缺氧的進氣條件，加之特定大氣環境中存在的碳酸鹽或碳酸氫鹽以及水分，彈簧鋼絲具有了腐蝕環境，因此發生了低應力腐蝕斷裂。當起支撐作用的鋼絲發生斷裂后，該處的軟管管壁形成鼓包，其部分尖銳的鋼絲斷口會刺穿軟管形成開放破損，并進一步撕裂擴展最終導致軟管開裂失效。

3 結論及建議

進氣軟管包裹層表面脫膠使得軟管鋼絲發生應力腐蝕斷裂，斷裂鋼絲使軟管管壁形成鼓包，其部分尖銳的斷口刺穿軟管形成開放破損，并進一步撕裂擴展最終導致軟管開裂失效。

建議軟管生產方加強過程質量控制，保證滌棉混紡布與橡膠的黏合性，杜絕軟管包裹層再次發生脫膠。