某型號(hào)氣門導(dǎo)管失效分析及改進(jìn)應(yīng)用評(píng)估

雷慶友 陳聞超 嚴(yán) 駿,

(1. 安徽環(huán)新集團(tuán)股份有限公司，安慶 246001；2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

0 前言

氣門導(dǎo)管是內(nèi)燃機(jī)氣門機(jī)構(gòu)的重要零件之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣門導(dǎo)管作為氣門配套的耐磨件，由于高溫、高壓、化學(xué)腐蝕和氣門運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊，對(duì)氣門導(dǎo)管的磨損和疲勞壽命有著直接的影響[1-3]。由于在氣門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在著沖擊和碰撞，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷也隨之提高，傳統(tǒng)的氣門導(dǎo)管已經(jīng)不能滿足需求，通常需要通過(guò)合金成分的改變和制造工藝的改進(jìn)來(lái)提高其性能，以適應(yīng)氣門的工作需求。在氣門導(dǎo)管材料失效后，該零件會(huì)發(fā)生偏磨并產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展后發(fā)生斷裂，斷裂后該零件的失效現(xiàn)象會(huì)造成氣缸的密封性降低、機(jī)油消耗量增加、氣門及其他零件(挺桿、座圈)磨損加劇[4-5]。

初代的氣門導(dǎo)管材料為(合金)鑄鐵，其加工性能差、硬度低，已經(jīng)不能適用于現(xiàn)今氣門導(dǎo)管材料的要求。銅基材料制備的氣門導(dǎo)管由于其自潤(rùn)滑性能好，得到了部分應(yīng)用，但是其強(qiáng)度較低，在很多發(fā)動(dòng)機(jī)中無(wú)法滿足工作要求。由制備復(fù)合成分的粉末冶金鐵基材料通過(guò)滲銅處理，可以在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)，提高其潤(rùn)滑特性，受到了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，同時(shí)也是市場(chǎng)氣門導(dǎo)管材料的主流[6-9]。粉末冶金材料還具有合金成分，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出的零件不需要或者僅需要少量切削加工，具有工序簡(jiǎn)單且綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。在全新的汽車發(fā)展環(huán)境下，該材料被認(rèn)為是下一代產(chǎn)品的主要加工來(lái)源[10]。

近年來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，氣門導(dǎo)管失效問(wèn)題的出現(xiàn)更為頻繁，而不斷開(kāi)發(fā)的新型氣門導(dǎo)管材料是否能得到應(yīng)用，需要對(duì)制備零件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行更完善的驗(yàn)證。氣門導(dǎo)管的工作環(huán)境對(duì)其性能本身提出了較高的要求，這同時(shí)也對(duì)其材料和制備工藝提出了新要求和新挑戰(zhàn)。 為了對(duì)氣門導(dǎo)管失效問(wèn)題進(jìn)行探究和分析并提出合理的解決方案，研究人員對(duì)氣門導(dǎo)管進(jìn)行了安裝，并在其服役期間進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，分別對(duì)氣門導(dǎo)管失效情況進(jìn)行表征和分析，與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，有針對(duì)性的進(jìn)行材料和產(chǎn)品的改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的零件性能進(jìn)行了分析和評(píng)估。

1 測(cè)試試驗(yàn)

在對(duì)失效氣門導(dǎo)管及同批次的其他零件采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口分析后，研究人員通過(guò)能譜和電感耦合等離子體(ICP)光譜發(fā)生儀確定其化學(xué)成分。在分析氣門導(dǎo)管失效原因后，嘗試對(duì)導(dǎo)管零件的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。采用氣口導(dǎo)管生產(chǎn)用的混合粉末，根據(jù)制定的材料配比，對(duì)原材料進(jìn)行稱量并置于V型混合機(jī)混合90 min后，進(jìn)行壓制和燒結(jié)，并在提高壓制工藝中的壓制力后，生產(chǎn)了一批新的導(dǎo)管零件。通過(guò)對(duì)樣品顯微組織進(jìn)行金相觀察，采用排水法測(cè)試氣門導(dǎo)管的密度，采用洛氏硬度計(jì)測(cè)試其硬度，在綜合力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)試燒結(jié)體的抗拉強(qiáng)度。為了研究其服役耐磨性能，研究人員制備了氣門導(dǎo)管樣品，并采用自制的天然氣燃燒環(huán)境下的磨損試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)溫度為550 ℃、凸輪的上升量和回轉(zhuǎn)數(shù)分別為6 mm和1 400 r/min(相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800 r/min)的條件下，以壓縮天然氣為燃料，分別對(duì)采用原先生產(chǎn)工藝和改進(jìn)后生產(chǎn)工藝制備的燒結(jié)體進(jìn)行5 h的測(cè)試。圖1為測(cè)試儀器及其工作示意圖。

圖1 測(cè)試儀器及其工作示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 氣門導(dǎo)管失效分析

從宏觀來(lái)看，斷裂面與上下表面夾角大致呈45°，試樣沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形現(xiàn)象，斷裂面基本平整，斷口表面凹處還存在一些可見(jiàn)的細(xì)小微孔。基于樣品斷裂面為傾斜面，可能為異常原因?qū)е碌拇嘈詳嗔选?duì)斷口表面平整度外觀進(jìn)行低倍觀察，發(fā)現(xiàn)存在平坦斷面和傾斜斷面(圖2)。平坦平面居多且邊緣清晰，邊緣面積小，有較多的反光小平面(圖2圓圈處)，及有一定數(shù)量直徑超過(guò)10 μm的較大的孔隙(圖2箭頭處)。

圖2 導(dǎo)管樣品的平坦斷面和傾斜斷面

對(duì)樣品斷裂面進(jìn)行進(jìn)一步掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，圖3所示為高倍的SEM照片。樣品斷口的裂紋多位于孔隙處和顆粒結(jié)合處。同時(shí)，樣品中存在夾雜物(硬質(zhì)粒子、氧化物)，導(dǎo)致其在負(fù)荷下會(huì)加速疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，易發(fā)生斷裂。裂紋的中前部區(qū)域出現(xiàn)了少量韌窩。斷口處可見(jiàn)凹坑和發(fā)散棱線。裂紋基本上是沿晶體和解理斷裂，而且在斷口上可明顯觀察到沿晶體的二次裂紋，這表明這種基體和硬質(zhì)顆粒接觸邊緣產(chǎn)生的裂紋完全是1種脆性的沿晶體斷裂。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料中裂紋的擴(kuò)展規(guī)律如下：首先向金屬的晶體缺陷(包括空位、位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò))、晶粒邊界、相界面、夾雜物和基體金屬顆粒的結(jié)合界面處擴(kuò)展；當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)遇到一定的阻力(阻力大到使其擴(kuò)展方向發(fā)生偏移)，然后裂紋會(huì)改變其擴(kuò)展方向，并向其他較薄弱處擴(kuò)展。

圖3 導(dǎo)管樣品斷裂面高倍SEM照片

研究人員對(duì)斷口中較大孔隙區(qū)域進(jìn)行放大觀察，可以觀察到局部區(qū)域出現(xiàn)沿粉末顆粒裂開(kāi)的形貌特征。如圖4所示，該部分由于存在較大的孔隙，強(qiáng)度非常低，該區(qū)域裂紋源較多，容易萌生裂紋，且易于擴(kuò)展，周圍基體和顆粒出現(xiàn)變形。總的來(lái)說(shuō)，斷裂失效主要是由源于材料中的脆性非金屬夾雜物或硬質(zhì)顆粒，在基體的邊界及孔隙存在的區(qū)域處形成，疲勞源多位于孔隙處和顆粒之間的結(jié)合處。該零件斷裂是由多個(gè)裂紋源造成的，可以觀察到不同裂紋源擴(kuò)展出的裂紋之間的貫通。當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度時(shí)，微裂紋就會(huì)在此處萌生并在應(yīng)力作用下向外擴(kuò)展。在不同的孔隙周圍分別存在著微裂紋，微裂紋通過(guò)擴(kuò)展而形成較大的裂紋，發(fā)生沿晶體和穿晶體斷裂，在微裂紋相互貫通和連接后，最終導(dǎo)致樣品斷裂。

圖4 在斷裂面上對(duì)孔隙進(jìn)行觀察

2.2 對(duì)材料的改進(jìn)和性能測(cè)試

樣品改進(jìn)前后的金相照片如圖5所示。樣品的顯微組織由鐵素體、珠光體和碳化物組成，可以觀察到改進(jìn)后樣品的孔隙減少，特別是尺寸較大的孔隙大幅減少，且孔隙分布更為均勻。這主要是由于壓坯密度提高導(dǎo)致，且當(dāng)壓坯密度提高后，在燒結(jié)時(shí)材質(zhì)收縮均勻，這有利于合金元素的擴(kuò)散并減小孔隙。圖5同樣示出了觀察腐蝕后的金相照片。表1為改進(jìn)前后材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，產(chǎn)品的密度得到了提高，同時(shí)產(chǎn)品的力學(xué)性能也相應(yīng)提高。

圖5 改進(jìn)前后材料的金相(A、B圖為未腐蝕，C、D圖為腐蝕后)

表1 改進(jìn)前后材料性能對(duì)比

改進(jìn)后樣品的摩擦磨損性能得到了提高，其磨耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在提高產(chǎn)品密度的同時(shí)，可以提高產(chǎn)品的性能，增加其耐磨性。改善硬質(zhì)顆粒與基體之間的結(jié)合，可以避免其在工作過(guò)程中脫落，提高其耐磨性，同時(shí)也可以避免脫落顆粒對(duì)基體和氣門產(chǎn)生磨損。

圖6 改進(jìn)前后氣門導(dǎo)管磨損量測(cè)試結(jié)果

圖7 磨損后表面形貌及能譜測(cè)試結(jié)果

在進(jìn)行模擬臺(tái)架測(cè)試后，氣門導(dǎo)管的磨損表面形貌和元素分布如圖7所示。從圖7中可以看出，使用改進(jìn)后的氣門導(dǎo)管可以有效降低磨損量，磨損表面更為光滑，從而避免了因大孔隙的存在而導(dǎo)致的異常磨損加劇現(xiàn)象。同時(shí)，提高基體密度有助于燒結(jié)時(shí)的元素?cái)U(kuò)散，使得元素分布更為均勻，從而提高了材料性能。

3 結(jié)論

研究人員通過(guò)對(duì)失效氣門導(dǎo)管的斷裂原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)密度和顯微組織的不均勻是造成其失效的主要原因。通過(guò)對(duì)材料制備工藝的改善，提高了壓坯的密度，并對(duì)改善前后的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)提高密度可以有效改善材料的性能。通過(guò)模擬在天然氣燃燒環(huán)境下的磨損試驗(yàn)表明，在存在腐蝕的情況下，提高壓坯密度可以提高燒結(jié)材料在該環(huán)境下的耐磨損性能。