汽車發(fā)動機高壓油管常見失效形式分析

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(東風(fēng)商用車有限公司, 武漢 430056)

綜述

汽車發(fā)動機高壓油管常見失效形式分析

蔣雅雅,馮繼軍

(東風(fēng)商用車有限公司, 武漢 430056)

結(jié)合一些典型工程失效案例，介紹了汽車發(fā)動機高壓油管常見的失效形式，分析了引起各種失效形式的可能原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防改進措施。結(jié)果表明：汽車發(fā)動機高壓油管服役過程中的失效形式基本上都是高周疲勞開裂引起穿孔進而導(dǎo)致漏油,而高壓油管在其原材料質(zhì)量控制、制造、裝配、使用中的任何一個環(huán)節(jié)的不當(dāng)，都可能會造成其疲勞開裂失效。

汽車發(fā)動機； 高壓油管； 疲勞開裂； 漏油; 失效分析

與傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機核心零部件相比，發(fā)動機高壓油管長期以來并不特別受到關(guān)注，然而統(tǒng)計表明，近年來有關(guān)高壓油管的失效案例不斷增多，其在汽車發(fā)動機零部件失效總量所占的比重也已經(jīng)連年進入前10位，并有不斷增加的趨勢。

發(fā)動機高壓油管是連接噴油泵與噴油器的重要零部件，承擔(dān)著給發(fā)動機輸送高壓燃油的任務(wù)。隨著新的排放法規(guī)的實施，對發(fā)動機排放指標(biāo)的要求越來越嚴苛，發(fā)動機燃油壓力也因此有不斷提升的趨勢，導(dǎo)致高壓油管內(nèi)壁承受的高頻脈沖燃油壓力峰值不斷提高，使得其服役過程中的受力條件更加惡劣。此外，用于制造高壓油管的無縫鋼管目前幾乎都是從德國或日本進口，國內(nèi)很少有合格的原材料無縫鋼管供應(yīng)商，這也成為制約高壓油管質(zhì)量提升的重要因素。

高壓油管服役過程中的失效形式基本上都是高周疲勞開裂引起穿孔進而導(dǎo)致油管漏油。實際使用過程中，導(dǎo)致其疲勞開裂的原因主要有油管原材料缺陷、鐓頭工藝缺陷、裝配工藝不當(dāng)導(dǎo)致的磕碰、使用過程中發(fā)生微動磨損等等。筆者結(jié)合近年來生產(chǎn)實際中遇到的一些案例，簡要概述了汽車發(fā)動機高壓油管常見的失效形式及原因。

1 常見失效形式及原因

1.1高壓油管原材料內(nèi)表面缺陷

高壓油管的材料選擇主要需要考慮規(guī)格(內(nèi)孔尺寸和管壁厚度)、強度等級、內(nèi)孔表面質(zhì)量3個方面的要求。對于某一特定的零件，其規(guī)格、強度等級確定以后，內(nèi)孔表面質(zhì)量則是影響其性能的主要因素。在高壓油管制造過程中，其內(nèi)表面經(jīng)歷了復(fù)雜的拉拔變形過程，這一過程不可避免地會形成各種程度上的內(nèi)壁缺陷，其中最主要的是內(nèi)壁裂紋缺陷。生產(chǎn)檢驗發(fā)現(xiàn)，這種內(nèi)壁裂紋缺陷絕大多數(shù)是由于管內(nèi)壁在變形過程中，因變形不均勻?qū)е滦纬傻?、類似折疊形式的缺陷。

目前，國際上對高壓油管內(nèi)壁質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)是ISO 8535-1：2011《柴油發(fā)動機 高壓燃油噴射管用鋼管 第1部分：無縫冷拔單壁鋼管的要求》[1]，其中對內(nèi)壁裂紋缺陷的分級情況見表1。

對于燃油管內(nèi)壁裂紋缺陷等級，一般企業(yè)都會根據(jù)高壓油管的工作條件，在其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。目前，國內(nèi)普通汽車發(fā)動機高壓油管控制的內(nèi)壁裂紋缺陷等級多采用Q級及以上。內(nèi)壁強化工藝是目前普遍采用的高壓油管內(nèi)表面處理方法，該方法是通過優(yōu)化管材表面應(yīng)力的分布，產(chǎn)生內(nèi)壓外拉的應(yīng)力狀態(tài)，可有效降低裂紋擴展速率，不僅能夠提高燃油管的耐壓能力，而且可以降低疲勞試驗中的數(shù)據(jù)分散性[2]。

表1 ISO 8535-1:2011中內(nèi)表面缺陷分級要求Tab.1 Classification requirements for pipe internal surface defectsin ISO 8535-1:2011

最后，希望通過此次研究調(diào)查橫店劇組化妝師的當(dāng)今生存和發(fā)展現(xiàn)狀，能夠透過影視公司、制片人、導(dǎo)演等行業(yè)權(quán)威人士，讓他（她）們對橫店劇組化妝行業(yè)的生存狀態(tài)進行分析，以及在他（她）們心中，如何才能真正成為一名優(yōu)秀的化妝師。也讓更多的熱愛化妝行業(yè)的人，能夠在職業(yè)道路上發(fā)展，合理規(guī)劃自己的人生軌跡。

內(nèi)壁裂紋缺陷會導(dǎo)致高壓油管疲勞裂紋由此起源，嚴重降低高壓油管的疲勞壽命，這種情況也是大部分高壓油管疲勞失效漏油的原因。

如圖1a)所示，某型發(fā)動機在用戶使用過程中發(fā)生漏油。該高壓油管材料為PP600鋼(德國牌號，相當(dāng)于國內(nèi)牌號20鋼)，規(guī)格為φ8 mm×φ3.5 mm，硬度要求為260～290 HV，內(nèi)壁裂紋缺陷等級要求為Q級(參考JB/T 8120.1-2000)。在油管漏油位置的外表面可見一條縱向裂紋，標(biāo)記后將油管對剖，內(nèi)表面的裂紋更為明顯，內(nèi)表面肉眼可見裂紋長約3 cm。打開裂紋，觀察斷面形貌，可見有一個明顯的弧形區(qū)域，該區(qū)域呈灰黑色，斷面平坦細致，具有疲勞開裂的宏觀特征，在斷面與油管內(nèi)表面交界處有一條隱約可見的線狀痕跡，見圖1b)。

圖1 高壓油管縱向裂紋及其斷口形貌Fig.1 Morphology of longitudinal crack and fracture of the high-pressure fuel injection pipe: a) macro morphology of the failure pipe; b) macro morphology of fracture of the pipe; c) micro morphology of fracture of the pipe; d) morphology of the fatigue propagation zone; e) morphology of the final fracture zone

將斷口清洗后在掃描電鏡(SEM)下觀察斷面的微觀形貌，在宏觀觀察中看到線狀痕跡所對應(yīng)的斷面位置上看到一條寬約0.2 mm的帶狀痕跡，這個區(qū)域的斷口微觀形貌與其他區(qū)域不同，并有明顯的分界線，見圖1c)。該處的斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，除此以外的斷口其他區(qū)域有明顯的疲勞輝紋，見圖1d)。后打開的斷口形貌如圖1e)所示，主要為韌窩。在帶狀區(qū)域進行微區(qū)成分分析，結(jié)果顯示表面有鋅等元素，據(jù)此判斷該條帶是在油管成形工藝中產(chǎn)生的原始裂紋，這是造成該高壓油管疲勞開裂的直接原因。

在裂紋附近取油管的周向試樣，觀察油管的顯微組織及內(nèi)表面質(zhì)量。油管基體顯微組織為鐵素體+珠光體；在油管內(nèi)表面裂紋對應(yīng)位置觀察到的裂紋形態(tài)見圖2，可見此裂紋由兩部分組成，內(nèi)壁側(cè)的初始裂紋開口較寬，后擴展的疲勞裂紋在初始裂紋的尾端萌生并擴展，其中初始裂紋深度約0.20 mm?？梢娏鸭y形態(tài)與掃描電鏡下觀察到的斷口形貌特征相吻合。

圖2 失效高壓油管的顯微組織及內(nèi)表面裂紋形貌Fig.2 Morphology of microstructure and inner surface cracks of the failure high-pressure fuel injection pipe: a) initial crack on inner surface; b) fatigue crack originating from the initial crack

由圖2可以明顯看到，原始裂紋尾部顯微組織流線有明顯的折疊形態(tài)，說明它是在油管內(nèi)壁成形過程中產(chǎn)生的，且其缺陷級別遠大于Q級要求，這是造成該高壓油管疲勞開裂導(dǎo)致漏油的根本原因。

1.2鐓頭和桿部過渡處的加工質(zhì)量不良

高壓油管鐓頭加工工藝過程復(fù)雜，變形量大，其內(nèi)外表面金屬都經(jīng)歷過強烈的變形流動，如若工藝不當(dāng)，都可能出現(xiàn)金屬流線曲折甚至出現(xiàn)冷折疊缺陷。圖3所示是某一高壓油管鐓頭內(nèi)外表面金相檢驗時發(fā)現(xiàn)的冷折疊形貌。

鐓頭處的各種工藝缺陷，在使用過程中將會成為疲勞裂紋的起源，導(dǎo)致高壓油管開裂漏油。因此，各企業(yè)都會在其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)中對此缺陷形態(tài)加以要求，主要是對鐓頭冷折疊裂紋的深度加以要求。

圖3 鐓頭內(nèi)外表面冷折疊缺陷形貌Fig.3 Morphology of cold folding defect on a) inner surface and b) outer surface of the upsetting header

某型發(fā)動機進行制動試驗至31 h后，發(fā)現(xiàn)高壓油管漏油而停止試驗。該高壓油管材料牌號為ST52.4(德國牌號)，管件規(guī)格為φ6.4 mm×2.2 mm。高壓油管和兩端鐓頭外觀如圖4a)所示。將高壓油管兩端鐓頭部位取下，用線切割對剖，可見鐓頭與桿部圓角過渡處存在一條長約9 mm的裂紋，如圖4b)所示。打開裂紋，可見斷口呈淺灰色，斷面較平坦，裂紋從高壓油管外表面起源，向內(nèi)壁擴展，并且已向內(nèi)表面裂穿，如圖4c)所示。

掃描電鏡下觀察，斷口源區(qū)低倍形貌如圖5a)所示，可見較多的疲勞臺階，說明為周向起源的疲勞開裂，如圖5b)所示。斷口的疲勞特征如圖5c)所示。

圖4 失效高壓油管及其裂紋和斷口形貌Fig.4 Morphology of the failure high-pressure fuel injection pipe, crack and fracture: a) morphology of the failure pipe; b) morphology of the cracking position; c) morphology of the fracture

圖5 失效高壓油管斷口微觀形貌Fig.5 Micro morphology of fracture of the failure high-pressure fuel injection pipe: a) fracture morphology at low magnification; b) morphology of the fatigue source zone; c) morphology of the fatigue propagation zone; d) morphology of microcracks on the surface

在掃描電鏡下觀察鐓頭斷口附近表面形貌，此處為鐓頭與桿部過渡處，可見在此處存在較多金屬擠壓變形流動痕跡，并且形成了微裂紋，這些微裂紋應(yīng)為加工過程中形成的，如圖5d)所示。高壓油管鐓頭與桿部過渡處是受力較大的部位，此處形成的加工微裂紋大大增加了高壓油管發(fā)生疲勞開裂的傾向。

高壓油管兩端鐓頭的顯微組織形貌如圖6所示，均為鐵素體+珠光體。由圖6可見，鐓頭處存在明顯的冷折疊缺陷，這是導(dǎo)致該高壓油管疲勞裂紋起源的直接原因。

1.3高壓油管外表面“夾雜物”缺陷

目前，國內(nèi)高壓油管管材幾乎都是從國外進口，而目前相關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)中，都沒有對管外表面微觀質(zhì)量進行明確的規(guī)定。近年來，多次出現(xiàn)了疲勞裂紋由油管外表面類似夾雜物缺陷處起源，導(dǎo)致油管開裂漏油的案例。甚至，還多次發(fā)生過因為這種外表面類似夾雜物缺陷導(dǎo)致在油管鐓包加工過程中發(fā)生開裂的現(xiàn)象。而對于這種外表面類似夾雜物的缺陷，到目前為止還未見相關(guān)的研究。下面通過具體案例對此進行介紹。

圖6 鐓頭的顯微組織與冷折疊缺陷形貌Fig.6 Morphology of microstructure and cold folding defect of the upsetting header: a) at low magnification; b) at high magnification

某型試驗車在進行寒區(qū)試驗過程中發(fā)生高壓油管漏油，經(jīng)檢查發(fā)動機一缸高壓油管油軌端缸體內(nèi)側(cè)油管折彎處漏柴油，車輛行駛總里程46 000 km。失效高壓油管宏觀形貌見圖7a)，其中黑色箭頭所指為發(fā)生漏油的部位。將裂紋打開，斷口形貌如圖7b)所示，可見斷面平坦，開裂部位已經(jīng)貫穿油管壁厚。

掃描電鏡下裂紋源區(qū)形貌如圖8a)所示，可見裂紋起源在振動應(yīng)力最大部位，但局部為一線源，源區(qū)存在多個疲勞臺階。圖8b)所示為源區(qū)局部放大形貌，可見裂紋源區(qū)的每一臺階內(nèi)，疲勞裂紋各自獨立萌生、擴展，最后匯合成為一線源。圖8c)所示為疲勞擴展區(qū)形貌，可見疲勞輝紋和二次裂紋。

圖7 失效高壓油管及斷口宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of a) the failure high-pressure fuel injection pipe and b) the fracture

圖8 失效高壓油管斷口微觀形貌Fig.8 Micro morphology of fracture of the failure high-pressure fuel injection pipe: a) crack source zone; b) source zone local magnification; c) fatigue propagation zone

觀察斷口側(cè)面，如圖9所示，可見油管外表面分布有不規(guī)則的龜裂狀裂紋，其中疲勞臺階與這種微裂紋有明顯的對應(yīng)關(guān)系，說明裂紋起源與此有關(guān)。

觀察油管截面顯微組織，如圖10所示，基體顯微組織為鐵素體+珠光體。油管表面存在一層厚約20 μm的脫碳層，脫碳層中分布有灰色類似夾雜物形態(tài)的物質(zhì)。這一分布于表面的灰色相，既非裂紋，也無法根據(jù)通常意義的夾雜物形態(tài)進行分類，需要進一步研究分析。

圖11a)和11b)是該類似夾雜物的掃描電鏡形貌,可見這些物質(zhì)都分布在表面層，多數(shù)貫通到最外層，且割裂基體并導(dǎo)致基體在變形時產(chǎn)生裂紋，這與圖9的龜裂裂紋相對應(yīng)。圖11c)是基體組織的能譜(EDS)分析結(jié)果，圖11d)是圖11b)中白色箭頭所指的灰色物質(zhì)能譜分析結(jié)果?？梢娪凸芑w成分主要為鐵、錳等(鋅和磷為表面鍍鋅層成分)；而灰色物質(zhì)成分非常復(fù)雜，除了基體成分，還含有硅、釩、鉻等元素。

圖9 斷口側(cè)面微裂紋形貌Fig.9 Morphology of microcracks on side surface of the fracture: a) morphology of side surface of the fracture; b) morphology of cracks on the side surface

圖10 油管顯微組織及表面類似夾雜物形貌Fig.10 Morphology of microstructure and the surface inclusion-like substance of the pipe: a) polishing state; b) etching state

圖11 灰色類似夾雜物相的SEM形貌與EDS分析結(jié)果Fig.11 SEM morphology and EDS analysis results of the gray inclusion-like substance: a) SEM morphology of the inclusion-like substance; b) EDS analysis position; c) EDS spectrum of the matrix; d) EDS spectrum of the inclusion-like substance

由上述結(jié)果推測，分布于油管表層的這層物質(zhì)，可能來源于管材成形過程中，模具表面氧化皮脫落然后被壓入油管表面，再在后期變形過程中被擠入、碾碎、壓裂，分布于管壁外表面。由于目前國內(nèi)并沒有高壓油管的加工線，其他類似的管材加工過程也未見有類似報道，因此對上述類似夾雜物物質(zhì)來源的推測是否正確，目前尚無法驗證。

根據(jù)上述分析，高壓油管表面的類似夾雜物缺陷是導(dǎo)致其疲勞開裂的根本原因。

由于高壓油管表面通常會有一層鍍鋅層，從外觀無法檢查此類缺陷，且現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)也未要求對這類缺陷進行檢驗、預(yù)防。有鑒于此，對油管外表面質(zhì)量的控制是非常必要的，目前相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂正在進行中。

2 結(jié)束語

高壓油管的開裂失效涉及到的因素復(fù)雜多變。高壓油管通過壓力波將燃油以一定的壓力和速率輸送到噴油器，油管的長度、內(nèi)徑對發(fā)動機的燃油噴射特性有著不可忽視的影響，因此設(shè)計過程中對油管管材的選擇、油管形狀的優(yōu)化設(shè)計等都非常重要，不可隨意更改。高壓油管在工作中經(jīng)受來自發(fā)動機轉(zhuǎn)動帶來的受迫振動以及內(nèi)部高壓油對油管的脈動沖擊，受力環(huán)境相當(dāng)惡劣。然而，實際工程中使用的高壓油管，因為設(shè)計錯誤導(dǎo)致高壓油管失效的情況很少出現(xiàn)，而因為油管內(nèi)在質(zhì)量、裝配、使用不當(dāng)導(dǎo)致的開裂失效則頻頻發(fā)生。對這些失效案例進行分析，找出導(dǎo)致失效的原因，并提出改進措施，修訂相關(guān)企業(yè)質(zhì)量內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，對預(yù)防此類事故的重復(fù)發(fā)生，降低產(chǎn)品索賠率，甚至降低汽車火災(zāi)事故的發(fā)生等，都具有重要意義。

[1] ISO 8535-1:2011 Diesel engines-Steel tubes for high-pressure fuel injection pipes-Part 1:Requirements for seamless cold-drawn single-wall tubes[S].

[2] 黃立賢,李全,楊鵬,等.高壓油管自增強處理[J].柴油機,2009,31(2):45-47,54.

AnalysisonCommonFailureModesofHigh-PressureFuelInjectionPipesinAutomobileEngines

JIANGYaya,FENGJijun

(Dongfeng Commerical Vehicle Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

Combined with some typical engineering failure cases, the common failure modes of high-pressure fuel injection pipes of automobile engines were introduced, the possible causes of various failure modes were analyzed, and some corresponding improvement measures were put forward. The results show that the failure mode of the high-pressure fuel injection pipes was mainly high cycle fatigue cracking which resulted in perforation and fuel leakage. Any improper operation in the processes including quality control of raw materials, manufacture, assembly and use, all might cause fatigue cracking failure.

automotive engine; high-pressure fuel injection pipe; fatigue cracking; fuel leakage; failure analysis

TG115.21

A

1001-4012(2017)10-0725-06

10.11973/lhjy-wl201710007

2016-10-18

蔣雅雅(1979-),女，助理工程師,碩士，主要從事質(zhì)量控制與失效分析工作

馮繼軍(1965-)，男，研究員級高級工程師，主要從事失效分析工作,fengjijun@dfcv.com.cn