某重卡發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣軟管開(kāi)裂原因分析

薛天柱, 朱兮倩, 柯增權(quán)

(陜西重型汽車(chē)有限公司 理化計(jì)量檢測(cè)中心, 西安 710200)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣軟管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)進(jìn)氣軟管)采用多層材料結(jié)構(gòu)，即中間纏繞彈簧鋼絲(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋼絲)作為加強(qiáng)骨架，內(nèi)外兩側(cè)包裹滌棉混紡布涂橡膠材料，表面橡膠為三元乙丙橡膠。生產(chǎn)工藝為：滌棉混紡布涂橡膠→軟管胎具整體纏繞涂膠滌棉混紡布(管口一層，管身可多層)→管口部分纏繞橡膠層，管身纏繞鋼絲→再次整體纏繞涂膠滌棉混紡布(管口一層，管身可多層)→硫化成型→脫?！捱叀善贰闄z耐“正、負(fù)”壓力→入庫(kù)→出廠[1-4]。

進(jìn)氣軟管安裝在重卡發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口與空濾器的出氣口之間，企業(yè)技術(shù)要求其應(yīng)承受不小于20 kPa的負(fù)壓。某重型卡車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣軟管在使用6個(gè)月左右即發(fā)生了多處破損開(kāi)裂現(xiàn)象，進(jìn)氣軟管開(kāi)裂后，粉塵等異物從裂口處進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常磨損。筆者對(duì)開(kāi)裂進(jìn)氣軟管進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析，找出了開(kāi)裂原因并提出了改進(jìn)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開(kāi)裂進(jìn)氣軟管宏觀形貌如圖1所示，可見(jiàn)軟管沿周向撕裂，管體外表面多處隆起。進(jìn)氣軟管內(nèi)、外表面未發(fā)現(xiàn)龜裂，但內(nèi)包裹層兩面涂膠均出現(xiàn)了嚴(yán)重脫落露白現(xiàn)象，如圖3和圖4所示。

進(jìn)一步觀察，可見(jiàn)進(jìn)氣軟管撕裂口處鋼絲發(fā)生了斷裂；再將表面未破裂隆起部位割開(kāi)，該處鋼絲也同樣發(fā)生了斷裂，如圖5所示。由此不難理解，鋼絲在發(fā)生斷裂后斷口處張開(kāi)，使得軟管鼓包從而出現(xiàn)外表面隆起現(xiàn)象，再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，尖銳的鋼絲斷口便將軟管膠布層沿周向割裂。鋼絲斷口附近及鋼絲表面均存在較嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，呈淺褐色和暗褐色。

圖1 開(kāi)裂進(jìn)氣軟管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked intake hose

圖2 軟管外表面鼓包處宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the bulge on the hose outer surface

圖3 軟管內(nèi)表面脫膠處宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the degumming area on the hose inner surface

圖4 軟管內(nèi)層黏合面脫膠處宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the degumming area of the bonding surface of the hose inner layer

圖5 進(jìn)氣軟管鼓包處鋼絲宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of steel wire at the bulge of intake hose

1.2 鋼絲理化檢驗(yàn)

1.2.1 鋼絲化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂鋼絲進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)各元素含量均符合YB/T 5311—2010《重要用途碳素彈簧鋼絲》對(duì)E類(lèi)鋼絲的成分要求。

表1 斷裂鋼絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured steel wire (mass fraction) %

1.2.2 鋼絲抗拉強(qiáng)度

在失效軟管上截取未斷裂的一段鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)鋼絲的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于YB/T 5311—2010中E類(lèi)鋼絲的抗拉強(qiáng)度要求。取庫(kù)存的未使用的進(jìn)氣軟管鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度為1 982 MPa,符合YB/T 5311—2010的技術(shù)要求。

表2 鋼絲的抗拉強(qiáng)度Tab.2 Tensile strength of the steel wire MPa

1.2.3 鋼絲金相檢驗(yàn)

鋼絲的顯微組織形貌如圖6所示，可見(jiàn)鋼絲的細(xì)小索氏體組織經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的冷拉塑性變形呈現(xiàn)出細(xì)密的纖維狀形貌[2]，硬度為497 HV1,各類(lèi)夾雜物均為0.5級(jí)，表明其顯微組織正常。

圖6 鋼絲的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the steel wire

1.2.4 鋼絲斷口分析

(1) 宏觀分析

鋼絲斷口分為兩部分，如圖7 a)所示，一部分為垂直于鋼絲軸線的橫向斷裂平臺(tái)及一小段沿軸線的斷口部分，該部分面積較小、表面粗糙，該區(qū)域銹蝕嚴(yán)重;另一部分為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展沿軸線縱向發(fā)展并逐漸傾斜至最后斷裂的區(qū)域，該區(qū)域銹蝕較輕。圖7 b)為鋼絲表面的銹蝕形貌，可見(jiàn)暗褐色的銹蝕表面存在數(shù)量較多的銹蝕坑。

圖7 鋼絲斷口處和銹蝕表面的宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of a) fracture and b) rusted surface of the steel wire

(2) 微觀分析

對(duì)鋼絲斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，圖8為平臺(tái)部分的斷口形貌，可見(jiàn)斷口呈現(xiàn)泥紋狀花樣。圖9是布滿細(xì)密拉痕的鋼絲表面形貌，可見(jiàn)在腐蝕坑附近存在較多微裂紋。為方便斷口分析，采用膠黏方法對(duì)斷口表面進(jìn)行了清理，再用丙酮、超聲波進(jìn)行清洗。圖10表明斷裂起源于鋼絲銹蝕表面，具有多源特征，放射性擴(kuò)展形成斷口平臺(tái)區(qū)后沿軸線擴(kuò)展。清洗后的顯微斷口，盡管因?yàn)殇P蝕因素及其殘留物的影響，不能清晰顯示斷口微觀形貌特征，但是仍可以排除疲勞輝紋、沿晶斷裂，大致顯示出準(zhǔn)解理斷裂特點(diǎn)。

圖8 鋼絲斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the steel wire fracture:a) at low magnification; b) at high magnificaiton

圖9 鋼絲表面銹蝕坑SEM形貌Fig.9 SEM morphology of rusted pits on the steel wire surface

圖10 鋼絲斷口裂紋源SEM形貌Fig.10 SEM morphology of the crack source of the steel wire fracture:a) at low magnification; b) at high magnification

失穩(wěn)區(qū)縱裂部位的微觀形貌如圖11所示，呈準(zhǔn)解理形貌，顯示出纖維狀特點(diǎn)，結(jié)合金相檢驗(yàn)結(jié)果，可知冷拉性能的各向異性，使得裂紋更易于沿變形方向的某個(gè)晶面進(jìn)行。

圖11 縱裂部位SEM形貌Fig.11 SEM morphology of the longitudinal crack part

對(duì)斷口進(jìn)行能譜(EDS)分析，分析位置和分析結(jié)果如圖12所示，結(jié)果表明鋼絲斷口發(fā)生了氧化銹蝕。另外，斷口處碳元素含量很高，分析認(rèn)為腐蝕產(chǎn)物中存在碳酸根或碳酸氫根離子。

圖12 鋼絲斷口EDS分析位置及結(jié)果Fig.12 EDS analysis a) position and b) results of the steel wire fracture

1.3 進(jìn)氣軟管壁厚測(cè)量及耐壓測(cè)試

開(kāi)裂進(jìn)氣軟管的最薄處壁厚為1.0 mm，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。對(duì)庫(kù)存進(jìn)氣軟管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其“正、負(fù)”壓力達(dá)到耐負(fù)壓不小于2 MPa，正壓不小于1 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

1.4 軟管隆起原因分析

與軟管生產(chǎn)廠家對(duì)軟管隆起原因進(jìn)行聯(lián)合分析，認(rèn)為在膠布涂膠過(guò)程中，壓延機(jī)使用的潤(rùn)滑油滴落在膠布表面，使其在布層及橡膠層之間形成了一層油膜，在后期軟管硫化過(guò)程中使得布層和膠層之間局部橡膠硫化黏合受到影響，局部膠布黏合強(qiáng)度降低，在產(chǎn)品實(shí)際使用過(guò)程中因軟管受負(fù)壓、振動(dòng)等因素而發(fā)生脫膠現(xiàn)象。另外，對(duì)與失效軟管同批次及前后批次的軟管進(jìn)行了調(diào)查，此類(lèi)問(wèn)題未再次出現(xiàn)，說(shuō)明軟管脫膠現(xiàn)象為偶發(fā)事件。

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，進(jìn)氣軟管中的鋼絲斷裂是引起軟管開(kāi)裂失效的主要原因，但是鋼絲化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)結(jié)果、鋼絲直徑等都是合格的，而且同一工藝制造的相同進(jìn)氣軟管耐壓試驗(yàn)結(jié)果及鋼絲強(qiáng)度也滿足技術(shù)要求。但在開(kāi)裂軟管上截取的鋼絲的抗拉強(qiáng)度顯著低于標(biāo)準(zhǔn)要求，僅有1 235 MPa。根據(jù)鋼絲斷口特征，著重研究鋼絲銹蝕的產(chǎn)生及其與鋼絲斷裂的關(guān)系。首先，銹蝕既可能是軟管破裂后由鋼絲外露造成的，也可能是生產(chǎn)過(guò)程中由鋼絲生產(chǎn)、存放等因素造成的。由圖5可知，進(jìn)氣軟管隆起處并沒(méi)有明顯破裂現(xiàn)象，但是在割開(kāi)后發(fā)現(xiàn)該處大面積區(qū)域鋼絲與里外包裹層黏合不良，鋼絲表面存在嚴(yán)重氧化銹蝕現(xiàn)象，這說(shuō)明鋼絲不是在軟管破裂后才發(fā)生銹蝕的。對(duì)鋼絲未斷裂表面腐蝕部位進(jìn)行觀察，腐蝕坑深約0.015 mm，整個(gè)鋼絲斷口表面幾乎都被銹蝕，因而可以排除銹蝕是由生產(chǎn)、存放引起的，加之銹蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果主要是氧、碳元素，硫含量很低，所以也不是橡膠硫化處理引起的。軟管內(nèi)包裹層兩面均出現(xiàn)嚴(yán)重脫膠現(xiàn)象，使得滌棉混紡布表面失去防護(hù)，進(jìn)氣通過(guò)滌棉混紡布空隙與鋼絲發(fā)生接觸。

應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)是在拉應(yīng)力與特定腐蝕環(huán)境共同作用下的一種脆性低應(yīng)力破壞，拉應(yīng)力也包括了材料的殘余應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕及由應(yīng)力腐蝕引起的彈簧鋼絲失效得到了業(yè)界的普遍重視和研究[5-9]，這些研究表明，冷拉鋼絲由于材料缺陷濃度增加、表面存在殘余拉伸應(yīng)力，其對(duì)應(yīng)力腐蝕具有敏感性，彈簧鋼絲具有較高的強(qiáng)度，而隨著強(qiáng)度的增加，應(yīng)力腐蝕敏感性增加；在應(yīng)力腐蝕破壞中，高強(qiáng)度材料自身或者環(huán)境中產(chǎn)生的氫原子具有重要影響；同時(shí)，材料成分、組織、表面狀態(tài)都對(duì)應(yīng)力腐蝕有直接或間接影響；碳酸鹽及碳酸氫鹽溶液被認(rèn)為是碳鋼和低合金鋼產(chǎn)生SCC的敏感環(huán)境。

綜合上述分析和銹蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果，認(rèn)為該進(jìn)氣軟管彈簧鋼絲的斷裂是應(yīng)力腐蝕斷裂。進(jìn)氣軟管在工作中管內(nèi)是負(fù)壓狀態(tài)(發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生吸氣，空氣通過(guò)進(jìn)氣軟管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，但因軟管前端的空濾器濾芯等部件形成氣阻，使軟管內(nèi)形成負(fù)壓，在氣阻一定的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加，負(fù)壓隨之增加)，由于內(nèi)外壓差作用受到來(lái)自外部的大氣壓力，因而其鋼絲橫截面存在彎曲應(yīng)力(其中，外側(cè)是拉應(yīng)力)。高強(qiáng)度的冷拉彈簧鋼絲的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂臨界應(yīng)力較低，在包裹層脫膠情況下，由于缺氧的進(jìn)氣條件，加之特定大氣環(huán)境中存在的碳酸鹽或碳酸氫鹽以及水分，彈簧鋼絲具有了腐蝕環(huán)境，因此發(fā)生了低應(yīng)力腐蝕斷裂。當(dāng)起支撐作用的鋼絲發(fā)生斷裂后，該處的軟管管壁形成鼓包，其部分尖銳的鋼絲斷口會(huì)刺穿軟管形成開(kāi)放破損，并進(jìn)一步撕裂擴(kuò)展最終導(dǎo)致軟管開(kāi)裂失效。

3 結(jié)論及建議

進(jìn)氣軟管包裹層表面脫膠使得軟管鋼絲發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，斷裂鋼絲使軟管管壁形成鼓包，其部分尖銳的斷口刺穿軟管形成開(kāi)放破損，并進(jìn)一步撕裂擴(kuò)展最終導(dǎo)致軟管開(kāi)裂失效。

建議軟管生產(chǎn)方加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量控制，保證滌棉混紡布與橡膠的黏合性，杜絕軟管包裹層再次發(fā)生脫膠。