高壓共軌式噴油器開裂失效分析

顏婧 黃東亮 向洋 高勇 王硯民 馮繼軍

（東風商用車有限公司技術中心，武漢 430056）

1 前言

高壓共軌式噴油器是柴油機高壓共軌噴油系統中實現燃油噴射的重要部件。在高壓共軌噴油系統中，高壓油泵直接輸出高壓燃油到共軌容器，壓力可達135 MPa，整個系統從高壓輸油泵到噴油器均處于高壓狀態。噴油器工作時，其頭部（包括針閥體與針閥偶件）暴露于熾熱的燃燒室中，與缸內高溫高壓的燃油直接接觸，缸內燃氣的瞬時溫度一般可達2 000 ℃，噴油器針閥體頭部外表面的溫度相應在230~280 ℃，甚至更高[1]。除了承受高溫，針閥體部分還承受高壓燃油的沖擊以及針閥對其內側座面的磨損。因此，對針閥體材質的要求是耐高溫、耐沖擊、耐磨、耐腐蝕，尤其是高壓共軌式噴油器，對針閥體的材質要求更高。

目前國外最具代表性的高壓共軌系統廠商主要有德國BOSCH、日本DENSO、美國DELPHI，所生產的噴油器針閥體或采用鎢鉬系高速鋼，整體調質處理，或采用低合金滲碳鋼（如18CrNi8），表面滲碳淬火處理，以達到耐磨的性能要求。隨著發動機爆壓的提升，對針閥體材質的耐熱性能要求進一步提升，為了提高針閥體的疲勞強度，也有廠商采用耐熱模具鋼H13 或ASP 高速鋼來制造針閥體。ASP 鋼是國外研發的一種新型粉末冶金高速鋼，采用先進的粉末冶金等靜壓實工藝制造，其碳化物組織分布均勻，韌性和耐磨性都比普通冶煉方法制造的高速鋼好[2]。ASP 鋼包括ASP23、ASP30、ASP60[3]，本文所分析的針閥體材質為ASP鋼。

在工作過程中，噴油器針閥體常見的失效形式有針閥體與針閥之間由于混入雜質等原因發生卡滯，針閥體與針閥間密封錐面等處過度磨損，針閥體噴油孔處發生堵塞等[4-5]。但近年來，由于產品的質量管控不嚴或其他原因，針閥體因材質缺陷或制造缺陷發生開裂（斷裂），進而導致整個發動機故障的事件時有發生。

某柴油發動機車輛行駛過程中，出現高轉速飛車現象，發動機異響嚴重，強行掛擋將車熄火后無法起動，經拆解發現，發動機第6 缸噴油器針閥體開裂，該車行駛里程為2 743 km。本文通過宏觀分析、掃描電鏡分析、能譜分析、金相分析，找到了噴油器針閥體開裂的根本原因。

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀分析

失效的第6 缸噴油器宏觀形貌如圖1a 所示，開裂位置位于圖中箭頭所示，此處放大后可見針閥體表面呈軸向的裂紋，如圖1b 所示。該裂紋在針閥體球頭處頂部開口較大，兩側開口漸小，如圖1c 所示。針閥體內部，與之匹配的針閥的宏觀形貌如圖1d 所示，可見與針閥體配合的針尖表面未見明顯的磨損，針尖附近表面的涂層完好。

圖1 針閥體開裂位置及裂紋宏觀形貌

圖2 所示為針閥體軸向裂紋打開后斷口宏觀形貌。圖2a 所示為A 側斷口，圖2c 所示為B 側斷口。裂紋起源于針閥體球頭部位，呈軸向擴展。球頭附近斷口表面受到高溫的影響呈黑色，裂紋向后，其斷口顏色變成淺灰色。A 側斷口起源處放大如圖2b 所示，宏觀可見凹坑內顆粒狀異物以及以此為中心的凸起的線狀臺階。以此為中心，裂紋向周圍箭頭所指方向擴展，斷面可見明顯的裂紋擴展放射紋。與A 側斷口匹配的B 側斷口起源處放大如圖2d 所示，宏觀可見一個小凹坑，以及以此為中心的線狀臺階。

圖2 針閥體軸向裂紋打開后兩側斷口宏觀形貌

2.2 斷口掃描電鏡分析

將圖2a、圖2c 所示A、B 側斷口放于掃描電鏡內觀察。圖3a 為斷裂源區低倍形貌，圖3b 所示為源區放大，源區明顯可見顆粒異物，與斷口基體間有明顯分界，異物周圍有較多臺階。顆粒異物的尺寸約0.3 mm×0.2 mm，如圖3b 所示。圖3c、圖3d所示為匹配的B 側斷口低倍形貌以及源區形貌放大，可見匹配斷口上存在與顆粒物大小匹配的凹坑。

圖3 AB側斷口源區掃描電鏡形貌

圖4a 所示為斷口擴展區部分低倍形貌，可見明顯的放射紋。圖4b 所示為擴展區斷口放大后微觀形貌，為細致的韌窩形貌。

圖4 斷口擴展區掃描電鏡形貌

2.3 能譜分析

為了弄清源區顆粒物的成分，對其進行能譜分析。分別進行點掃描和面掃描分析。顆粒物處的能譜分析結果如圖5a 所示，主要元素為Zr、C、O，少量元素為Ca、Si、Al 等；斷口基體部分的能譜分析結果如圖5b 所示，主要元素為Fe、C、V、Cr、W、Mo，少量元素為S、Mn、Si 等。

圖5 斷口源區顆粒異物及斷口基體能譜分析結果

圖6 所示為斷口源區顆粒物處能譜面掃描結果。掃描區域如圖6a 所示，各元素的分布情況分別如圖6b～圖6e 所示，可見整個缺陷區呈紡錘形，該區域與Zr、O、Si、O 元素的分布有強烈相關性。

圖6 斷口源區顆粒異物處能譜面掃描結果

2.4 斷口金相分析

將A側斷口平行于斷口面磨制，其顆粒物截面的金相形貌如圖7a所示，在顯微鏡偏光下呈金黃色，抗腐蝕性強，與基體有明顯分界。圖7b為顯微鏡明光下顆粒物形貌，呈灰藍色，顆粒物硬度測試點，菱形尖端有顯微裂紋，可見其材質較脆。圖7e為紡錘形缺陷區末端金相形貌，可見與圖7a顆粒物類似的小顆粒。

圖7 A側斷口斷裂源區金相形貌

2.5 硬度測試

顆粒物以及針閥體球頭基體處的硬度，測試結果如表1 所示。

表1 針閥體內顆粒物及基體顯微硬度

3 分析與討論

由上述檢測結果可知，針閥體開裂起源于球頭基體內部異常顆粒（凹坑）處，顆粒周圍及斷口擴展區平整，擴展區可見明顯的從顆粒異物處為中心向四周擴散的放射紋。源區附近斷口的微觀特征為細密的韌窩形態，韌窩邊緣有變形碾壓痕跡。由于針閥體基體組織的特性（碳化物+細針狀馬氏體），其微觀疲勞特征不是典型的疲勞輝紋特征，而是細密的韌窩，但此韌窩與一次性斷口的韌窩特征有所區別：疲勞形態的韌窩邊緣有變形碾壓痕跡。由斷口分析的特征，結合車輛行駛里程判斷，該針閥體的失效模式是起源于異常顆粒處的低周疲勞開裂。

起源處的異常顆粒尺寸約為0.3 mm×0.2 mm，與針閥體基體間有明顯界面，經能譜分析主要含Zr、O、C 元素，還有少量的Ca、Si 元素，而針閥體基體材質為高速鋼ASP60，成分主要為Fe、C、V、Cr、W、Mo、Si、Mn 元素[3]，因此起源處的顆粒應為外來的與基體材質不一樣的夾渣。起源處顆粒附近區域經能譜面掃描分析，從Zr、O 等元素的分布區域來看，顆粒附近應是一個呈紡錘形的缺陷區，該缺陷區內還含有其他較小的顆粒，該區域尺寸為1.7 mm×0.25 mm（長度×最寬處），在針閥體球頭處近似呈軸向分布，完全超過了整個針閥體的厚度截面。這樣大的夾渣出現在針閥體這樣精密的零件基體中是非常罕見的，直接導致針閥體的早期開裂失效，從而導致整個發動機報廢，損失極大。

進一步溯源調查，該針閥體為粉末高速鋼ASP鋼，其生產工藝流程為：是由鋼液經氮氣霧化制成平均粒度0.5 mm 的表面無氧化鋼粉，經篩分，裝入有蓋的軟鋼包套中，然后抽真空并封焊。在冷等靜壓機中以高壓壓制成鋼坯，再經熱加工成材[3]。經調查，鋼液流過的霧化噴嘴，其材質為高密度的氧化鋯，耐磨、耐熱、硬度較高。針閥體內的夾渣即來源于該噴嘴，有可能是噴嘴材質剝落、掉塊進入鋼液內，在后續冷卻后形成了紡錘形的夾渣。含有夾渣的鋼坯在后續的檢驗過程中未能有效地檢出并去除，被進一步加工制造成為成品零件。

4 結論

a.噴油器針閥體開裂起源于球頭端材料內部的紡錘形缺陷處，為低周疲勞開裂。

b.起源處的缺陷成分為Zr、O、Si、Ca，為原材料夾渣，來源于ASP 鋼生產過程中，霧化噴嘴（氧化鋯）材質的掉落，混入了正常鋼液。