某車型發(fā)動機電子水泵卡簧失效原因分析*

孟慶新，李蓉

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某車型發(fā)動機電子水泵卡簧失效原因分析*

孟慶新1，李蓉2

（1.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056；2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430025）

相比較傳統(tǒng)車用機械水泵，電子水泵除了結(jié)構(gòu)簡單外，還具有節(jié)能環(huán)保的特點。然而電子水泵在使用過程中容易出現(xiàn)一些故障，卡簧失效是常見故障原因之一。在問題發(fā)生后，我們應(yīng)選擇專用檢測設(shè)備，從斷口形貌、金相組織等方面進行分析和對比，找出失效原因并提出解決方法。

電子水泵；卡簧；失效

1 前言

隨著國家對汽車環(huán)保的要求越來越高，渦輪增壓發(fā)動機的使用越來越廣泛。渦輪增壓發(fā)動機上的水泵需要既能在發(fā)動機運轉(zhuǎn)的情況下提供冷卻液，又能在發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)的情況下給渦輪增壓器提供冷卻所需的冷卻液。而這是機械水泵無法實現(xiàn)的。因而電子水泵應(yīng)時而生。

在用戶使用中，電子水泵可能因為電路板失效、機械零件配合尺寸不良等原因引起故障，這就需要質(zhì)量檢驗工作者通過實驗分析，找出故障原因，提高產(chǎn)品可靠性。如某品牌車輛，發(fā)動機報水溫故障報警，經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)為發(fā)動機電子水泵轉(zhuǎn)軸上的止推墊斷裂后卡住葉片無法旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致冷卻液流量過小無法滿足冷卻要求所致。為了進一步對比分析失效產(chǎn)生的原因；我們收集了故障件3件（批次號分別為2件A和1件B）、2018年的封樣水泵（批次號：C）1件以及2016年封樣水泵（批次號：D）1件，使用專用的材料實驗設(shè)備對，從斷口形貌、金相組織等方面著手開始找出根本原因。

2 實驗描述

為了找到斷裂的根本原因，我們分別使用了下列設(shè)備：

（1）超景深三維顯微鏡。它是集體視顯微鏡、工具顯微鏡和金相顯微鏡于一體，可以觀察傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡由于景深不夠而不能看到的顯微世界。具有獨特的環(huán)形照明技術(shù)，并配有斜照明、透射光和偏振光，并能滿足一般的金相照片拍攝、宏觀的立體拍攝和非金屬材料的拍攝。

（2）激光共聚焦顯微鏡。照明針孔與探測針孔相對于物鏡焦平面是共軛的，焦平面上的點同時聚焦于照明針孔和發(fā)射針孔，焦平面以外的點不會在探測針孔處成像，這樣得到的共聚焦圖像是標(biāo)本的光學(xué)橫斷面，克服了普通顯微鏡圖像模糊的缺點。

（3）顯微維氏硬度計。在屏幕上能顯示試驗方法、試驗力、試驗力保荷時間、測量次數(shù)等，操作時只要從薄膜鍵盤輸入壓痕對角線長度，內(nèi)置計算器自動計算出硬度值并顯示在LCD屏上。

2.1 斷口形貌分析

將零件進行編號為1#、2#、3#、4#、5#件，零件1#-3#為失效件；4#、5#為未失效件。失效件的失效部位及斷口宏觀形貌，見表1；可見，斷裂位置均處于零件圓弧細(xì)窄處，斷口較為平齊，無明顯塑性變形，斷面遍布發(fā)光小刻面，局部有覆著物。

表1 失效部位與斷口宏觀圖

將1#件置于電鏡下觀察斷口，微觀斷口整個斷面為新鮮干凈的冰糖狀沿晶形貌，夾雜少部分解理形貌，為典型的脆性斷裂特征（見圖7、8、9所示），在斷口四周邊緣處發(fā)現(xiàn)覆著物，覆著區(qū)和未覆著區(qū)界限分明，判斷覆著物可能為外來物，見圖10、11所示。在卡簧外壁發(fā)現(xiàn)約寬度10μm的條形韌窩區(qū)，該區(qū)為瞬時斷裂區(qū)（見圖12）。

圖8 沿晶+少量解理形貌

對覆著物區(qū)域進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)的主要元素為Fe、Cr、Si、O、Al，沒有發(fā)現(xiàn)異常的腐蝕介質(zhì)（見圖13）。說明該零件未被腐蝕。

圖9 干凈的沿晶形貌

圖10 覆著區(qū)和新鮮斷面的分界

圖11 覆著物區(qū)

圖12 韌窩區(qū)

2#和3#件宏觀及微觀斷口和1#件宏觀形貌及微觀形貌基本一致，斷面為沿晶形貌+極少解理形貌，未發(fā)現(xiàn)韌窩區(qū)域。在斷面多處發(fā)現(xiàn)覆著物，覆著區(qū)和干凈斷面界限明顯，對斷面覆著區(qū)進行能譜分析，也發(fā)現(xiàn)元素Fe、Cr、Si、O、Al等，未見異常腐蝕介質(zhì)。說明這兩個零件也未被腐蝕。

圖13

2.2 金相及硬度對比分析

表2

從1#件、2#件、3#件，止推墊上取樣觀察金相組織，金相組織均為回火馬氏體+碳化物，失效件的塊狀碳化物比4#和5#件的封樣樣件要少，除此之外金相未發(fā)現(xiàn)其它異常。見表2。

依據(jù)零件圖紙要求，測試1#件、2#件及4#件、5#件止推墊的硬度，結(jié)果見表3。兩個批次的失效件硬度均比封樣樣件要高。

表3 測量數(shù)據(jù)

3 討論分析

3.1 三件失效零件的斷口均呈冰糖狀沿晶形貌

沿晶特征遍布整個斷面的絕大部分區(qū)域，這是典型的脆性斷裂的特征。而該零件正常受外力斷裂的微觀形貌為解理+韌窩。所以可以排除零件受外力斷裂的可能。

3.2 整個斷面為脆斷

這種脆斷在卡簧裝配時未發(fā)生，在卡簧裝上水泵后，發(fā)生斷裂，是典型的延遲斷裂。

3.3 該零件為馬氏體不銹鋼

經(jīng)淬火+回火處理，硬度較高，造成其發(fā)生延遲脆斷的主要有以下可能：

（1）應(yīng)力腐蝕斷裂：應(yīng)力腐蝕斷裂必須滿足三個條件，對應(yīng)力腐蝕敏感的組織+拉應(yīng)力+敏感的腐蝕介質(zhì)，且斷面有腐蝕特征，能譜對覆著物分析，未發(fā)現(xiàn)其發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)，可排除這個可能。

（2）氫脆：氫脆斷裂發(fā)生的三個必要條件為拉應(yīng)力+高硬度的組織+氫。且沿晶斷面上會有明顯的氫脆特征（如二次裂紋+顯微孔洞+雞爪紋）等。該失效件微觀斷面上無氫損特征，且該零件為耐蝕耐酸的不銹鋼，沒有經(jīng)過電鍍處理等，沒有氫的來源，故也可排除這個可能。

（3）金屬脆：比如Cr脆、Cu脆，斷面的晶界上均未發(fā)現(xiàn)異常的金屬偏聚，也可排除這個可能。

（4）組織應(yīng)力或回火不足：組織應(yīng)力和回火不足均會造成高硬度零件的延遲斷裂，而故障件批次零件的硬度均高于老批次的零件，所以很可能是因為熱處理不良或回火不足造成零件的脆斷。本項驗證需要獲得熱處理工藝信息。

3.4 斷面上的覆著物，為外來物

不銹鋼的腐蝕以點腐蝕為主，如果是零件本身發(fā)生腐蝕，銹跡很難去掉，且去掉后在基體上可發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑。失效零件外側(cè)覆著物可用手擦掉，且擦掉后基體無腐蝕痕跡。斷面上大部分區(qū)域為干凈的新鮮斷面，沒有任何氧化特征，覆著物在斷面上隨機分布，和新鮮斷面有明顯的界限，與正常腐蝕斷口有較大差異（同樣環(huán)境下腐蝕一定會在整個斷面發(fā)生），可排除零件本身腐蝕的可能。

從供應(yīng)商現(xiàn)場排查結(jié)果來看，未裝配的零件沒有發(fā)現(xiàn)覆著物，裝上泵后，表面覆著有潤滑脂，潤滑脂干涸后覆著在零件表面和斷面，形成類似紅銹痕跡。

綜上所述，零件的斷裂為延遲脆性斷裂，導(dǎo)致其發(fā)生的原因主要是存在回火不足或存在較大的組織應(yīng)力，在裝配后，應(yīng)力延遲釋放，使零件發(fā)生斷裂。延遲斷裂的特性決定，裝配時未發(fā)現(xiàn)裂紋的零件，裝配后零件仍有較大的斷裂風(fēng)險。

4 結(jié)論

4.1 失效件及老批次零件的硬度均符合要求

但失效批次零件的硬度明顯高于老批次零件；因此老批次零件的熱處理工藝和新批次不同，建議供應(yīng)商仍然使用老批次熱處理工藝。在實際工作中，我們發(fā)現(xiàn)，熱處理材料由于批次間的差異，供應(yīng)商可能對熱處理工藝在工藝范圍內(nèi)進行調(diào)整，結(jié)果導(dǎo)致零件硬度波動較大，進而導(dǎo)致電子水泵卡簧的韌性較差，產(chǎn)生不合格品。

4.2 失效件的斷裂為延遲脆性斷裂

零件的熱處理不良是造成其發(fā)生延遲脆斷的主要原因。因此，建議生產(chǎn)廠家在調(diào)整工藝時，要多做工藝驗證及零件裝配后的性能要求實驗。以更好的滿足主機廠要求，降低不合格品率，提高用戶滿意度。

[1] 馮天昱,方存光.車用電子水泵國內(nèi)外發(fā)展綜述[J].汽車實用技術(shù), 2017(22).

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Failure reason analysis of electronic pump spring of engine of a certain model*

Meng Qingxin1, Li Rong2

( Dragon auto co. LTD, Hubei Wuhan 430056; 2.Wuhan software engineering vocational college, Hubei Wuhan 430025 )

Compared with traditional mechanical pumps, electronic pumps have the characteristics of energy saving and environmental protection.Electronic water pump is prone to some failures during use, Snap spring failure is one of the common causes of failure. We should choose special testing equipment to analyze and compare the fracture morphology and metallographic structure.And identify the cause of the failure and propose a solution.

Electronic water pump; Circlip; Invalid

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.041

U464

A

1671-7988(2019)10-119-03

U464

A

1671-7988(2019)10-119-03

孟慶新，就職于神龍汽車有限公司。

武漢市教育局產(chǎn)學(xué)研課題《第三代車用燃?xì)庑孤﹫缶餮芯俊?編號：CXY201619)階段性研究成果。