某發電柴油機挺柱底面龜裂失效分析

李康寧，王剛，陳廣茂，于健

1.內燃機可靠性國家重點實驗室, 山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司, 山東 濰坊 261061

0 引言

挺柱(或挺桿)[1]安裝在氣缸蓋或氣缸體中的導向孔內，隨著凸輪軸的旋轉做往復運動，其作用是將凸輪的推力傳給與其相鄰的零件(推桿、搖臂或者氣門)。挺柱分為機械式、液力式兩大類。機械式挺柱根據其底面或與凸輪接觸部位的不同，分為平面挺柱、球面挺柱和滾子挺柱等。平面挺柱的中心線與凸輪中心線有一定的偏心距，球面挺柱的凸輪型面略帶錐度，兩者均使挺柱工作中被凸輪軸頂起時具有微小的轉動，使底面和導向面均勻磨損。滾子挺柱的摩擦和磨損較小，但結構復雜。實際設計時，往往根據布置空間大小、凸輪-挺柱接觸應力等選擇合適的挺柱[2-3]。

1 故障描述

某輕型發電用柴油機運行2000 h后進行維修保養，拆解后發現2～4缸的進氣和排氣挺柱底面均出現龜裂現象。挺柱材料為20Cr，設計要求表面滲碳淬火處理，滲碳層深度0.8～1.5 mm，表面HRC硬度為56～63；與其搭配使用的凸輪材料為45號鋼，凸輪桃尖處為感應淬火處理。本文中對挺柱進行材料成分分析、金相分析、力學性能分析，并與同批次新挺柱進行對比分析，以綜合分析判斷挺柱龜裂失效原因，尋求故障解決辦法。

2 故障原因分析

2.1 宏觀檢查

采用VHX-1000體視顯微鏡宏觀觀察故障挺柱底面，宏觀形貌觀察結果見圖1。由圖1可知，各挺柱底面與凸輪接觸痕跡清晰可見，挺柱底面直徑為28 mm，凸輪寬度為13 mm，從接觸痕跡判斷挺柱運行過程無異常。

在高倍視場下觀察挺柱底面，其形貌特征如圖2所示。

由圖2可知，故障挺柱底面存在2種特征：1)挺柱底面存在麻點，麻點邊緣齊整； 2)挺柱底面存在龜裂，裂紋疑似沿晶開裂，其中2～3缸進氣及排氣挺柱龜裂嚴重，龜裂區域直徑約18 mm，4缸進氣及排氣挺柱龜裂不明顯。

2.2 掃描電鏡分析

圖3為麻點及龜裂在ZEISS EVO 掃描電鏡(SEM)下的形貌。

從圖3可以看到鱗片狀花樣及裂紋擴展痕跡，是疲勞磨損的典型特征。此時的最大剪切應力發生在表面，故裂紋萌生于表面，在摩擦力的作用下主裂紋與表面成銳角并向材料內部擴展。隨著裂紋的不斷擴展，將與次表面的裂紋匯合，當主裂紋的斷裂面與次表面裂紋斷裂面見有水平高度差異時，在主裂紋前沿和次裂紋前沿的交界處發生斷裂，從而形成“鱗片狀”特征[4-5]。

2.3 挺柱底面接觸應力分析

利用有限元計算軟件對該機型進氣及排氣凸輪-挺柱接觸應力進行仿真計算[6-8]，結果見圖4。由圖4可知，凸輪與挺柱接觸良好，進氣凸輪-挺柱最大接觸應力為863 MPa，排氣凸輪-挺柱最大接觸應力為792 MPa，均低于該挺柱的設計許用接觸應力950 MPa。

圖5 挺柱滲碳層深度

2.4 硬度分析

使用Wolpert Wilson 數顯洛氏硬度計對挺柱底面進行硬度檢測，底面平均HRC硬度為58.8，符合設計要求(HRC硬度為56～63)。使用Wolpert Wilson 數顯顯微維氏硬度計采用硬度梯度法[9]對滲碳層深度進行檢測，滲碳層深度如圖5所示。由圖5可知，滲碳層深度約0.9 mm，符合設計技術要求(0.8～1.5 mm)。

2.5 化學成分分析

采用直讀光譜儀對故障挺柱進行成分分析，挺柱材料中除鐵外的主要成分的質量分數如表1所示。挺柱材料為20Cr，其成分應符合文獻[10]的規定。由表1可知，挺柱的成分符合國標要求。

表1 挺柱主要成分質量分數%

2.6 金相分析

沿挺柱底面法線方向剖開取樣，進行金相分析，并在ZEISS-observer.A1m顯微鏡下觀察金相組織，故障挺柱拋光態、表層組織、芯部組織金相分析結果見圖6。由圖6可知，挺柱底面存在大量微裂紋(圖中黃色箭頭所示)，裂紋深度小于0.2 mm，裂紋兩側未發現脫碳、氧化等現象，說明裂紋產生在滲碳工藝后。20Cr材料經滲碳淬火工藝加工后，表層組織為針狀馬氏體和塊狀碳化物，基體組織為板條馬氏體及鐵素體，為正常的滲碳淬火組織。

a)拋光態 b)表層組織 c)芯部組織 圖6 故障挺柱金相組織

對同批次新挺柱底面進行金相分析，發現挺柱底面邊緣及中心均存在原始裂紋，如圖7所示。

a)底面邊緣裂紋 b)底面中心裂紋 圖7 同批次新挺柱金相組織

2.7 挺柱生產工藝分析

因同批次新挺柱盤底面存在原始裂紋，所以對挺柱生產及加工工藝進行排查，以確定裂紋產生原因。挺柱生產加工流程如圖8所示。初步判斷裂紋可能產生于滲碳淬火或磨大頭端面2道工序。

圖8 挺柱生產及加工流程

相關研究證明滲碳件出現裂紋的原因主要有2方面：1)滲碳過程中零件過熱或過燒，或者淬火介質溫度過低，導致零部件冷卻速度過快，內應力過大進而開裂[11];2)滲碳淬火零件由于磨削工藝不當，如磨削量過大、冷卻不充分或砂輪選用不當等產生燒傷甚至裂紋,磨削裂紋一般較淺，其擴展方向大致與磨削方向垂直，分散或規則地排列，嚴重時呈網狀或輻射狀[12]。

經進一步排查分析，判斷挺柱產生原始裂紋的原因為磨削進刀量過大，導致挺柱底面及內部溫度過高，冷卻時產生熱應力而產生裂紋。運行過程中，挺柱在與凸輪軸不斷接觸碰撞，原始裂紋逐漸擴展，最終形成麻點及龜裂。

3 生產工藝優化

對挺柱生產工藝進行優化，合理預留磨削量，并減小磨削速度，對磨削區進行充分冷卻。挺柱底面優化前后的主要加工參數對比如表2所示。

對按新工藝加工生產的新批次挺柱底部進行檢測，未見原始裂紋。將新批次挺柱搭載在同機型整機上進行800 h耐久試驗后拆檢，挺柱盤面只存在輕微圓環狀磨損痕跡，表面無剝落，見圖9，故障解決。

4 結論

1)挺柱底面原始裂紋產生的主要原因是挺柱底面磨削進給量過大，導致挺柱底面及內部溫度過高，在冷卻時產生熱應力，進而產生原始裂紋。此外，挺柱底面與凸輪軸接觸運行過程中原始裂紋進一步擴展，最終形成麻點及龜裂。

2)通過對挺柱工藝進行優化，合理預留磨削量，并減小磨削速度，對磨削區進行充分冷卻，新批次挺柱底面未產生裂紋。