某型號氣門導管失效分析及改進應用評估

雷慶友 陳聞超 嚴 駿,

(1. 安徽環(huán)新集團股份有限公司，安慶 246001；2.合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

0 前言

氣門導管是內(nèi)燃機氣門機構(gòu)的重要零件之一。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，氣門導管作為氣門配套的耐磨件，由于高溫、高壓、化學腐蝕和氣門運動產(chǎn)生的沖擊，對氣門導管的磨損和疲勞壽命有著直接的影響[1-3]。由于在氣門運動過程中存在著沖擊和碰撞，隨著發(fā)動機的發(fā)展，機械負荷和熱負荷也隨之提高，傳統(tǒng)的氣門導管已經(jīng)不能滿足需求，通常需要通過合金成分的改變和制造工藝的改進來提高其性能，以適應氣門的工作需求。在氣門導管材料失效后，該零件會發(fā)生偏磨并產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展后發(fā)生斷裂，斷裂后該零件的失效現(xiàn)象會造成氣缸的密封性降低、機油消耗量增加、氣門及其他零件(挺桿、座圈)磨損加劇[4-5]。

初代的氣門導管材料為(合金)鑄鐵，其加工性能差、硬度低，已經(jīng)不能適用于現(xiàn)今氣門導管材料的要求。銅基材料制備的氣門導管由于其自潤滑性能好，得到了部分應用，但是其強度較低，在很多發(fā)動機中無法滿足工作要求。由制備復合成分的粉末冶金鐵基材料通過滲銅處理，可以在獲得高強度的同時，提高其潤滑特性，受到了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，同時也是市場氣門導管材料的主流[6-9]。粉末冶金材料還具有合金成分，可根據(jù)實際需求進行設計，生產(chǎn)出的零件不需要或者僅需要少量切削加工，具有工序簡單且綠色環(huán)保的優(yōu)點。在全新的汽車發(fā)展環(huán)境下，該材料被認為是下一代產(chǎn)品的主要加工來源[10]。

近年來，隨著發(fā)動機性能的提升，氣門導管失效問題的出現(xiàn)更為頻繁，而不斷開發(fā)的新型氣門導管材料是否能得到應用，需要對制備零件的靜態(tài)和動態(tài)性能進行更完善的驗證。氣門導管的工作環(huán)境對其性能本身提出了較高的要求，這同時也對其材料和制備工藝提出了新要求和新挑戰(zhàn)。 為了對氣門導管失效問題進行探究和分析并提出合理的解決方案，研究人員對氣門導管進行了安裝，并在其服役期間進行臺架試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，分別對氣門導管失效情況進行表征和分析，與實際情況進行對比，有針對性的進行材料和產(chǎn)品的改進，并對改進后的零件性能進行了分析和評估。

1 測試試驗

在對失效氣門導管及同批次的其他零件采用掃描電子顯微鏡進行斷口分析后，研究人員通過能譜和電感耦合等離子體(ICP)光譜發(fā)生儀確定其化學成分。在分析氣門導管失效原因后，嘗試對導管零件的生產(chǎn)工藝進行改進。采用氣口導管生產(chǎn)用的混合粉末，根據(jù)制定的材料配比，對原材料進行稱量并置于V型混合機混合90 min后，進行壓制和燒結(jié)，并在提高壓制工藝中的壓制力后，生產(chǎn)了一批新的導管零件。通過對樣品顯微組織進行金相觀察，采用排水法測試氣門導管的密度，采用洛氏硬度計測試其硬度，在綜合力學實驗機上測試燒結(jié)體的抗拉強度。為了研究其服役耐磨性能，研究人員制備了氣門導管樣品，并采用自制的天然氣燃燒環(huán)境下的磨損試驗裝置，在試驗溫度為550 ℃、凸輪的上升量和回轉(zhuǎn)數(shù)分別為6 mm和1 400 r/min(相當于發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 800 r/min)的條件下，以壓縮天然氣為燃料，分別對采用原先生產(chǎn)工藝和改進后生產(chǎn)工藝制備的燒結(jié)體進行5 h的測試。圖1為測試儀器及其工作示意圖。

圖1 測試儀器及其工作示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 氣門導管失效分析

從宏觀來看，斷裂面與上下表面夾角大致呈45°，試樣沒有發(fā)生明顯的塑性變形現(xiàn)象，斷裂面基本平整，斷口表面凹處還存在一些可見的細小微孔?；跇悠窋嗔衙鏋閮A斜面，可能為異常原因?qū)е碌拇嘈詳嗔选嗫诒砻嫫秸韧庥^進行低倍觀察，發(fā)現(xiàn)存在平坦斷面和傾斜斷面(圖2)。平坦平面居多且邊緣清晰，邊緣面積小，有較多的反光小平面(圖2圓圈處)，及有一定數(shù)量直徑超過10 μm的較大的孔隙(圖2箭頭處)。

圖2 導管樣品的平坦斷面和傾斜斷面

對樣品斷裂面進行進一步掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，圖3所示為高倍的SEM照片。樣品斷口的裂紋多位于孔隙處和顆粒結(jié)合處。同時，樣品中存在夾雜物(硬質(zhì)粒子、氧化物)，導致其在負荷下會加速疲勞裂紋的形成和擴展，易發(fā)生斷裂。裂紋的中前部區(qū)域出現(xiàn)了少量韌窩。斷口處可見凹坑和發(fā)散棱線。裂紋基本上是沿晶體和解理斷裂，而且在斷口上可明顯觀察到沿晶體的二次裂紋，這表明這種基體和硬質(zhì)顆粒接觸邊緣產(chǎn)生的裂紋完全是1種脆性的沿晶體斷裂。一般來說，金屬材料中裂紋的擴展規(guī)律如下：首先向金屬的晶體缺陷(包括空位、位錯或?qū)渝e)、晶粒邊界、相界面、夾雜物和基體金屬顆粒的結(jié)合界面處擴展；當裂紋擴展時遇到一定的阻力(阻力大到使其擴展方向發(fā)生偏移)，然后裂紋會改變其擴展方向，并向其他較薄弱處擴展。

圖3 導管樣品斷裂面高倍SEM照片

研究人員對斷口中較大孔隙區(qū)域進行放大觀察，可以觀察到局部區(qū)域出現(xiàn)沿粉末顆粒裂開的形貌特征。如圖4所示，該部分由于存在較大的孔隙，強度非常低，該區(qū)域裂紋源較多，容易萌生裂紋，且易于擴展，周圍基體和顆粒出現(xiàn)變形?？偟膩碚f，斷裂失效主要是由源于材料中的脆性非金屬夾雜物或硬質(zhì)顆粒，在基體的邊界及孔隙存在的區(qū)域處形成，疲勞源多位于孔隙處和顆粒之間的結(jié)合處。該零件斷裂是由多個裂紋源造成的，可以觀察到不同裂紋源擴展出的裂紋之間的貫通。當局部應力超過其強度時，微裂紋就會在此處萌生并在應力作用下向外擴展。在不同的孔隙周圍分別存在著微裂紋，微裂紋通過擴展而形成較大的裂紋，發(fā)生沿晶體和穿晶體斷裂，在微裂紋相互貫通和連接后，最終導致樣品斷裂。

圖4 在斷裂面上對孔隙進行觀察

2.2 對材料的改進和性能測試

樣品改進前后的金相照片如圖5所示。樣品的顯微組織由鐵素體、珠光體和碳化物組成，可以觀察到改進后樣品的孔隙減少，特別是尺寸較大的孔隙大幅減少，且孔隙分布更為均勻。這主要是由于壓坯密度提高導致，且當壓坯密度提高后，在燒結(jié)時材質(zhì)收縮均勻，這有利于合金元素的擴散并減小孔隙。圖5同樣示出了觀察腐蝕后的金相照片。表1為改進前后材料的力學性能測試結(jié)果。經(jīng)過改進后，產(chǎn)品的密度得到了提高，同時產(chǎn)品的力學性能也相應提高。

圖5 改進前后材料的金相(A、B圖為未腐蝕，C、D圖為腐蝕后)

表1 改進前后材料性能對比

改進后樣品的摩擦磨損性能得到了提高，其磨耗實驗結(jié)果如圖6所示。在提高產(chǎn)品密度的同時，可以提高產(chǎn)品的性能，增加其耐磨性。改善硬質(zhì)顆粒與基體之間的結(jié)合，可以避免其在工作過程中脫落，提高其耐磨性，同時也可以避免脫落顆粒對基體和氣門產(chǎn)生磨損。

圖6 改進前后氣門導管磨損量測試結(jié)果

圖7 磨損后表面形貌及能譜測試結(jié)果

在進行模擬臺架測試后，氣門導管的磨損表面形貌和元素分布如圖7所示。從圖7中可以看出，使用改進后的氣門導管可以有效降低磨損量，磨損表面更為光滑，從而避免了因大孔隙的存在而導致的異常磨損加劇現(xiàn)象。同時，提高基體密度有助于燒結(jié)時的元素擴散，使得元素分布更為均勻，從而提高了材料性能。

3 結(jié)論

研究人員通過對失效氣門導管的斷裂原因進行分析，發(fā)現(xiàn)密度和顯微組織的不均勻是造成其失效的主要原因。通過對材料制備工藝的改善，提高了壓坯的密度，并對改善前后的產(chǎn)品進行對比，發(fā)現(xiàn)提高密度可以有效改善材料的性能。通過模擬在天然氣燃燒環(huán)境下的磨損試驗表明，在存在腐蝕的情況下，提高壓坯密度可以提高燒結(jié)材料在該環(huán)境下的耐磨損性能。