火花塞襯套開裂失效分析

關(guān)慧歡，張懷青，徐繼東

濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

某氣體機(jī)進(jìn)行缸蓋密封性水壓試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)漏水問題，拆檢后發(fā)現(xiàn)火花塞襯套開裂。襯套材料是鑄造黃銅ZCuZn38（H62），為工業(yè)上廣泛使用的有色金屬合金[1]。工藝流程是：鑄造銅棒→熱壓力加工→機(jī)械加工→裝試。

2 試驗(yàn)方法

采用OBLF直讀光譜儀對(duì)產(chǎn)生裂紋的襯套進(jìn)行化學(xué)成分分析；采用Zeiss Axio金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，用線切割的方法截取樣品。采用配備有X射線能譜儀的Zeiss EVO18掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋進(jìn)行顯微觀察和微區(qū)成分分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分測(cè)試

用直讀光譜檢測(cè)襯套化學(xué)成分，結(jié)果見表1。符合GB/T 1176—2013《鑄造銅及銅合金》要求。

表1 襯套的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 宏觀觀察

襯套有兩條裂紋，從襯套臺(tái)肩沿軸向向下延伸，裂紋較平直，近乎平行，臺(tái)肩倒角部位殘留有綠色密封膠。裂紋向臺(tái)肩內(nèi)側(cè)延伸并逐漸變窄，如圖1所示，說明裂紋起源于臺(tái)肩外壁處，并向下和向內(nèi)擴(kuò)展。

圖1 襯套裂紋的宏觀形貌

3.3 微觀觀察

通過電鏡掃描，可以看到靠近襯套外表面有一層絮狀物，如圖2a、圖2b所示。并且可以看出整個(gè)裂紋斷口顯示為脆性斷裂：冰糖狀沿晶斷裂，少量部分穿晶，且晶界有腐蝕產(chǎn)物及細(xì)小腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物主要含O、Cu、Zn、Al，如圖2c、圖2d所示。人為撕裂的新鮮斷口拋物線型韌窩斷裂，且韌窩清晰、潔凈，斷裂形貌正常，如圖2e、圖2f所示。原始斷口可見沿軸向的層片狀條帶。

沿軸向研磨、拋光、腐蝕，觀察裂紋及金相組織情況，如圖3所示。裂紋呈不規(guī)則連續(xù)狀，有分叉、尾部較尖銳呈樹枝狀，與應(yīng)力腐蝕裂紋的典型特征相吻合，因而我們初步判定該裂紋是應(yīng)力腐蝕裂紋[2]。金相組織為α相+極少量點(diǎn)狀β相，且組織中有明顯的滑移線，裂紋襯套帶狀組織明顯。

圖2 襯套斷口掃描電鏡

圖3 裂紋處金相組織

3.4 有限元分析

襯套為過盈配合，過盈量：0.069~0.100mm，有限元分析襯套裝配應(yīng)力（未安裝火花塞），圖4為襯套裝配態(tài)的第一主應(yīng)力云圖，亮色區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)。可見在襯套臺(tái)肩上方外壁與倒角外壁處和細(xì)頸內(nèi)表面的拉應(yīng)力較大，與實(shí)際裂紋起源位置一致。襯套細(xì)頸內(nèi)表面拉應(yīng)力雖然較大，但無密封膠，無應(yīng)力腐蝕條件。

圖4 襯套裝配態(tài)的第一主應(yīng)力云圖

4 結(jié)論與分析

襯套毛坯在工藝溫度650~800℃熱壓力加工成形后，放置在空氣中，自然冷卻至室溫。資料中介紹：所有黃銅在200~700℃[3]之間均有一個(gè)脆性區(qū)，熱壓力加工溫度應(yīng)不低于700℃。下限溫度偏低，材料容易產(chǎn)生開裂傾向；毛坯成形難度增加，殘余應(yīng)力較大[4]。

襯套在機(jī)械加工過程中，與刀具頻繁接觸、受力，尺寸發(fā)生變化，必然產(chǎn)生一定數(shù)量的殘余應(yīng)力；數(shù)控機(jī)床精加工使用的切削液含有S、鹵族元素等添加劑，使得襯套在一定時(shí)間內(nèi)處在潮濕、腐蝕環(huán)境中[3]。

襯套與缸蓋之間是過盈配合，壓力裝配后，在襯套臺(tái)肩上方外壁與倒角外壁處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力；裝配時(shí)涂在襯套臺(tái)肩處的密封膠基料為甲基丙烯酸酯，含有氨基催化劑，為襯套提供了弱腐蝕工作環(huán)境。缸蓋進(jìn)行水壓密封試驗(yàn)時(shí)，襯套臺(tái)肩外壁處受力，產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展；襯套細(xì)頸內(nèi)表面拉應(yīng)力雖然較大，但未接觸密封膠，應(yīng)力腐蝕條件差。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）襯套裂紋機(jī)制為應(yīng)力腐蝕沿晶脆性開裂。

2）襯套裂紋集中出現(xiàn)在某月份，之前未出現(xiàn)批量裂紋故障，通過以上分析，確定襯套存在批次質(zhì)量問題，襯套加工過程中殘余應(yīng)力過大，導(dǎo)致襯套在裝配后附加拉應(yīng)力及密封膠（或加工過程中切削液）弱腐蝕環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。