11.0 L 柴油發(fā)動機氣門彈簧斷裂分析及優(yōu)化措施

摘要：采用形貌觀察、顯微組織檢驗、硬度檢驗等方法，對發(fā)動機氣門彈簧進行綜合試驗，分析彈簧斷裂的原因。結果表明：彈簧經(jīng)繞制后，內圈表面存在較大張應力，若回火不充分會造成內圈形成過大殘余張應力，容易導致彈簧內圈開裂。為此，采用150 000 Hz 高頻感應淬火，并通過拋丸強化表面，將殘余張應力轉化為殘余壓應力，以提高氣門彈簧的疲勞壽命及載荷能力，有效解決氣門彈簧斷裂問題。

關鍵詞：氣門彈簧；斷裂；顯微組織；殘余應力；裂紋

0 前言

氣門彈簧是發(fā)動機配氣機構的主要部件之一，它的作用是保證氣門與氣門座緊密閉合，防止氣門在關閉過程中因氣門、推桿和挺柱等運動件的慣性力而發(fā)生脫落和氣門彈跳。因為氣門在關閉過程中，氣門及其傳動件處于減速運動，它們的慣性力與氣門彈簧的彈力相反，當后者小于前者時，就會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。在檢查發(fā)動機時，發(fā)現(xiàn)氣門、推桿和挺柱有彼此脫落現(xiàn)象。拆開發(fā)動機發(fā)現(xiàn)，氣門彈簧已經(jīng)斷裂。本文從宏觀形貌、顯微組織、硬度及力學性能等方面對彈簧斷裂進行分析［1］，查找氣門彈簧斷裂的根本原因。

1 問題描述

某11.0 L 雙渦輪增壓柴油發(fā)動機在行駛里程近1.8 萬km 時，發(fā)動機異響。拆解發(fā)動機，發(fā)現(xiàn)氣門彈簧已經(jīng)斷裂。為了查明氣門彈簧斷裂的根本原因，抽取該發(fā)動機第一缸及第四缸的2 根斷裂氣門彈簧進行失效分析，2 根斷裂彈簧分別標記為彈簧1、彈簧2。用火花看色譜定性和半定量分析來鑒別材料牌號，斷裂彈簧材料牌號鑒別為65 Mn，符合技術要求。

2 斷裂原因分析

2. 1 彈簧1

彈簧1 的宏觀形貌如圖1 所示。斷裂部位為彈簧端面，外圈表面無明顯的損傷痕跡。彈簧內表面有輕微的擠壓痕跡（非斷口處），如圖1（c）所示；另一端內表面擠壓痕跡則在對角部位，如圖1（d）所示。

由圖1 可以看出：彈簧端部不垂直于彈簧軸向，裝配后，彈簧一端內表面的一側與螺桿靠緊，另一端內表面的對角部位與螺桿靠緊。由此判斷彈簧內表面的擠壓痕跡是被螺桿擠壓形成的。

斷口的宏觀形貌如圖2 所示，裂紋源區(qū)位于彈簧的內側表面處，有明顯的發(fā)黑特征，為線狀多源［2］。斷口的掃描電鏡照片如圖3 所示，裂紋源區(qū)表面有一層覆蓋物，呈小團狀，其上有針狀的結晶體。對覆蓋物進行能譜分析，結果表明：覆蓋物富含鋅和氧元素。再對彈簧表面進行能譜分析，同樣富含鋅和氧元素。因此，判斷源區(qū)處在鍍鋅前已存在裂紋，在鍍鋅過程中，鋅滲入裂縫。

取彈簧1 的橫截面作為磨面，進行金相分析檢驗，結果如圖4 所示。由圖4 可以看出，該彈簧斷口金相組織為回火屈氏體，表面無明顯脫碳。

取彈簧1 的橫截面作為磨面，檢查其洛氏硬度為46 HRC，符合彈簧件技術要求（42 HRC～48 HRC）。

2. 2 彈簧2

對彈簧2 進行觀察，斷裂幾乎發(fā)生在相同的部位，如圖5 所示。斷口的掃描電鏡照片如圖6 所示。由圖6 可以看出：裂紋源同樣起源于靠彈簧內側的表面處，斷裂模式相似。源區(qū)處也被大量的含鋅結晶狀物質所覆蓋，結合能譜分析，對覆蓋物浸入彈簧的深度進行測量，深度為0.4 mm。

取彈簧2 的橫截面作為磨面，進行金相分析檢驗，結果如圖7 所示。以垂直于斷口的剖面為磨面，對斷口毗鄰處進行金相分析檢驗，結果如圖8所示。由圖7～圖8 可以看出，該彈簧斷口金相組織為回火屈氏體，表面無明顯脫碳，且內表面未發(fā)現(xiàn)其他裂紋。

取彈簧2 的橫截面作為磨面，檢查其洛氏硬度為45 HRC，符合彈簧件技術要求（42 HRC～48 HRC）。

2. 3 討論與分析

彈簧的材料牌號、硬度均符合技術要求，顯微組織為回火屈氏體，表面無明顯脫碳。斷口宏觀分析表明，故障件的裂紋起源于彈簧內側表面，為線狀多源。斷口微觀分析表明，斷口源區(qū)部位有大量的結晶狀覆蓋物，經(jīng)能譜分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋物富含鋅和氧元素。彈簧表面能譜分析結果表明，彈簧表明同樣富含鋅和氧元素。由此判斷，彈簧在鍍鋅前已存在裂紋，在鍍鋅過程中，鋅滲入裂縫。

分析彈簧內圈產(chǎn)生裂紋的可能原因如下：

（1） 彈簧材料在加工過程中形成裂紋。彈簧鋼線材在運輸過程中防護不良，磨損后形成局部表面硬化，在拉拔過程中形成垂直于鋼絲徑向的橫向裂紋。由于該裂紋在材料表面位置不固定，有概率在繞制過程中遺留在彈簧內圈。

改善此現(xiàn)象的方法為運輸過程采取防護，即線材由鋼廠生產(chǎn)后整體包裝，避免運輸過程中的非預期磨損。

（2） 彈簧在電鍍過程中形成裂紋。彈簧經(jīng)繞制后，內圈表面存在較大張應力［3］，回火不充分會造成內圈殘余過大張應力，在后續(xù)的處理過程中，容易導致彈簧開裂。此原因形成的橫向裂紋僅存在于彈簧內圈。

改善此現(xiàn)象的方法為改善回火的熱處理工藝，消除彈簧內圈過大的殘余應力，提高彈簧安全系數(shù)。

3 優(yōu)化方案

針對氣門彈簧斷裂是由于彈簧鋼絲殘余應力引起的斷裂，采用優(yōu)化彈簧熱處理工藝可以使彈簧性能達到使用要求。氣門彈簧鋼絲經(jīng)過卷簧后，在高頻感應爐進行150 000 Hz 高頻感應淬火，溫度達到850 ℃后，用水冷卻，使彈簧表面獲得相應的硬度，再進行回火處理。這樣淬火使彈簧獲得了高的強度和耐磨性，回火使彈簧釋放有害的殘余應力，有效提升彈簧的拉伸強度，回火后的彈簧拉伸強度可提高80% 以上。同時，通過拋丸強化表面，將殘余拉伸應力轉化為殘余壓應力，增加彈簧的表面強度，從而提高氣門彈簧的疲勞壽命。按照在高頻感應爐進行150 000 Hz 高頻感應淬火和回火處理，再進行拋丸強化表面工藝制造，抽取加工后的氣門彈簧進行殘余壓應力檢測，氣門彈簧殘余壓應力檢測結果比其他傳統(tǒng)工藝的檢測結果提升50%。

4 優(yōu)化效果

為了驗證優(yōu)化措施后的彈簧可靠性，在某型號的發(fā)動機上進行了全速全負荷的1 000 h 的可靠性試驗驗證，沒有發(fā)生氣門彈簧斷裂現(xiàn)象；并且經(jīng)過市場約3 萬臺在用發(fā)動機的使用驗證，目前沒有彈簧斷裂的故障反饋。以上說明，本優(yōu)化方案能有效提升彈簧的疲勞壽命，能夠有效解決氣門彈簧的斷裂問題。

5 結語

針對11.0 L 柴油發(fā)動機氣門彈簧斷裂問題，利用宏觀形貌、顯微組織、硬度對彈簧斷裂進行了分析，分析結果都符合彈簧的技術要求，判斷氣門彈簧斷裂是由于彈簧鋼絲殘余張應力引起的斷裂。優(yōu)化彈簧熱處理工藝，在高頻感應爐進行150 000 Hz高頻感應淬火，溫度達到850 ℃后，用水冷卻，使表面獲得相應的硬度，再進行回火處理。淬火使彈簧獲得了高的強度和耐磨性，回火使彈簧釋放有害的殘余應力，有效提升彈簧的拉伸強度。通過拋丸強化表面，將殘余拉伸應力轉化為殘余壓應力，可以增加彈簧的表面強度，從而提高氣門彈簧的疲勞壽命，有效解決了氣門彈簧斷裂問題。

參考文獻

［ 1 ］ 白云嶺. 汽車發(fā)動機氣門彈簧斷裂分析與預

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［ 2 ］ 姜錫山， 趙晗. 鋼鐵顯微斷口速查手冊[M].

北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［ 3 ］ 杜丹，汪淑風，胡義祥. 汽車助力轉向泵失效

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