發動機噴油器開裂失效分析

葉楓，孫峰，李立國，盧洪英，2

1.義烏吉利動力總成有限公司 浙江義烏 322000

2.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江寧波 315000

1 序言

噴油器是汽車發動機重要組成部分，其作用主要是將燃油霧化后噴入燃油室內，起到幫助發動機燃燒的目的，同時又要求其具備抗污染能力強、動態流量范圍大、霧化性能及抗堵塞性能好等特性，因此在發動機內部屬于一種高精密的零部件。噴油器通過密封圈安裝在進氣歧管或進氣道附近的缸蓋上，接收到來自ECU的噴油脈沖信號后將電磁閥接通，使燃油噴射量得到精確控制；發動機燃燒系統對噴油器的噴霧特性要求極高，主要表現在擴散錐角、油束方向、霧化粒度、射程及油霧分布等方面，以便使混合氣形成且燃燒完善，從而獲得較高的功率和熱效率[1]。

2020年3月，某故障發動機在拆機之后，發現噴油器在使用過程中有汽油泄漏現象（見圖1）。本文對發動機用噴油器進行失效分析，通過檢測與分析，確定噴油器泄漏產生位置及原因，測試項目主要包括化學成分分析、金相測試、宏觀檢測與SEM分析、SEM-EDS分析等，研究其產生故障的特征、規律及原因，為后續發動機的生產、使用或維修中采取有針對性的改進和預防措施提供理論依據，以防止同類故障再次發生[2]。

圖1 失效噴油器實物

2 測試與分析

2.1 宏觀檢測與SEM分析

采用體視顯微鏡、3D顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）對失效噴油器中VB管體及其斷口進行形貌觀察，測試結果如圖2～圖9所示。

圖9 Ⅲ區SEM照片（木紋層狀斷口，1000×）

圖2所示為失效噴油器中VB管的實物及宏觀形貌，從中可以很明顯地觀察到，該區域存在一長度約5.732mm的縱向裂紋，且裂紋中部在管體表面弧形突變區域較深，且有黃色銹跡，而裂紋端部兩側較淺，可推測該裂紋可能由中間管體表面弧形突變區域向兩端擴展[3]。

圖2 失效噴油器VB管體宏觀形貌（6.4×）

圖3所示為裂紋中心區域的SEM照片，該位置管體表面覆蓋著較多的腐蝕物，沿著裂紋紋路對其進行拆解后，使用掃描電子顯微鏡對其斷口1表面的形貌進行拍照分析，結果如圖4所示。從圖4可看出，其VB管內無明顯腐蝕現象。

圖3 斷口1的SEM照片（140×）

圖5～圖7所示為圖4中Ⅰ～Ⅲ區相關位置的SEM照片，其中Ⅰ區又分為A～D區（見圖5）。從圖中可以看出，該斷口Ⅰ區中有清晰的深色表面覆蓋物，特別是A區和B區中的腐蝕產物為泥紋花樣特征，屬于典型的腐蝕產物形貌，同時，A區表面還觀察到一處較深的腐蝕坑，通過丙酮超聲波清洗后自腐蝕坑附近管體外表面觀察到解理斷裂；C區和D區主要呈解理斷裂特征現象，且依據解理形貌的放射線走勢可推斷該斷口的斷裂源為Ⅰ區的A區、B區；此外其他斷口表面Ⅱ區表現為解理斷裂，Ⅲ區還觀察到木紋層狀斷口特征現象。

圖4 VB管體開裂處拆解后斷口1宏觀形貌（11×）

圖5 Ⅰ區SEM照片（90×）

圖6 A區的SEM照片（清洗前，400×）

圖7 A區的SEM照片

圖8 C區和D區SEM照片（270×）

2.2 SEM-EDS分析

為進一步分析VB管開裂處及其斷口表面的化學成分，將其置于掃描電子顯微鏡下進行觀察，采用能譜儀對VB管體表面開裂中間區域、生銹區域和非裂紋生銹區域（見圖4中Ⅰ～Ⅲ區）以及斷口表面斷裂源及附近分別進行材質成分元素定性及半定量分析。由測試結果可知，失效VB管開裂中心弧形突變區位置和生銹區位置的腐蝕產物除O元素外，還檢測到腐蝕性Cl元素，同時在斷裂源區域也檢測到O、Cl元素，而非裂紋非生銹區域及C區（見圖5）未檢測到明顯腐蝕性元素（見表1）。

表1 失效VB管EDS圖譜分析結果（質量分數） （%）

眾所周知，雖然氯離子半徑很小，但穿透能力卻很強，氧化膜內極小的空隙均可輕松穿越到達金屬表面，并在金屬表面將氧排除掉，進一步形成可溶性物質，從而加速了腐蝕的產生。

2.3 化學成分分析

噴油器內VB管材的材質為DIN EN 10088-3—2014中X6CrMoS17（DIN 1.4105）不銹鋼；其原材料是棒料，經機加工成形，不涉及熱處理。采用耦合等離子體發射光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀對失效VB管進行化學成分分析，結果見表2，符合技術要求。

表2 失效VB管化學成分分析結果 （質量分數）（%）

2.4 金相分析

在失效VB管體的開裂附近制取縱向金相試樣，依次進行鑲嵌、磨拋、腐蝕，然后使用金相顯微鏡對樣品進行觀察，結果如圖10所示。從圖10可看出，VB管的金相組織為鐵素體＋條狀硫化物，晶粒度為7.5級。

圖10 VB管縱向金相形貌（500×）

3 分析與討論

宏觀檢測顯示，失效VB管體表面存在一長度約5.732mm的縱向裂紋。裂紋中部在管體表面弧形突變區域較深，且有黃色銹跡，而裂紋端部兩側較淺，因此可推測該裂紋是由中間管體表面弧形突變區域向兩端擴展。將裂紋打開后VB管內表面未觀察到明顯腐蝕現象，而斷口表面Ⅰ區（弧形突變區域）覆蓋有黃色腐蝕產物。

SEM微觀分析表明，斷口表面Ⅰ區中的A、B區（弧形突變區周圍）表面覆蓋的腐蝕產物，呈泥紋花樣特征，屬典型的腐蝕產物形貌；同時，A區表面還觀察到一處明顯的腐蝕坑，采用丙酮超聲波清洗后，在腐蝕坑附近靠管體外表面觀察到解理斷裂；C區主要呈現解理斷裂特征，且根據解理形貌的放射線走勢可推測該斷口的斷裂源為Ⅰ區的A區、B區。此外，在Ⅲ區觀察到木紋層狀斷口特征。VB管裂紋斷面呈解理特征，可能與該管成形時管材的晶粒中一定的晶面和晶向沿縱向分布有關，此時晶面間的作用力被削弱，從而腐蝕裂紋容易在該晶面過解理面形成并擴展，硫化物沿著晶粒分布進一步削弱了晶間的作用力[4]。

綜上所述，噴油器中VB管的斷裂源是弧形突變位置的近外面區域，然后橫向往管內并縱向往兩側擴展。裂紋源上的腐蝕坑，其表面上有呈泥紋花樣特征的腐蝕產物，能譜分析顯示該區域存在材質應力腐蝕敏感元素Cl，可以推斷在含Cl介質中材料容易發生點腐蝕，腐蝕由此處深入到材料的內部，并在內部快速擴散形成一個腐蝕腔，當腐蝕擴展到一定程度時，在管壁受內部油壓沖擊作用下導致載荷開裂。斷口微觀上主要是解理斷裂特征，且VB管與內部PP管是過盈配合[5]，周向殘余拉應力存在于外表面弧形突變區域。通過以上分析，可以明確VB管開裂的性質，屬于應力腐蝕開裂。

4 結束語

通過對噴油器總成開裂進行失效分析，可以得出如下結論。

1）失效噴油管中V B管的化學成分符合標準DIN EN 10088-3—2014中X6CrMoS17（DIN 1.4105）不銹鋼的技術要求。

2）金相分析顯示，材料中VB管的金相組織為鐵素體＋條形硫化物，晶粒度為7.5級。

3）噴油器中VB管的斷裂源是弧形突變位置的近外表面區域，然后橫向往管內、縱向往兩側擴展。

4）含Cl元素液體介質對耐晶間腐蝕及點腐蝕能力影響極大，在生產制造、維護和使用過程應嚴格避免含Cl介質的引入。

5）應力腐蝕開裂是導致噴油器VB管開裂的主要原因。