R18CrNi8鋼制滲碳針閥體失效分析

黃 瑞,劉湘江,黃宗澤

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

柴油噴射系統(tǒng)(俗稱噴油嘴)是柴油機的心臟,由針閥和針閥體組成。其主要功能就是根據(jù)柴油機的工況,在一定間隔內(nèi),將燃燒所需的燃料在一定的壓力和供油速度下,通過噴油器形成良好的噴霧后噴入燃燒室[1]。因此,噴油嘴對柴油機燃油的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴散以及油氣混合、著火、燃燒、放熱,碳煙和廢氣有害成分的形成,燃燒激振波和燃燒噪聲的強度等燃燒過程起著至關(guān)重要的作用[2]。噴油嘴針閥體是噴油嘴的關(guān)鍵元件,長期在高溫高壓沖擊腐蝕等極端惡劣條件下服役,這就要求針閥體偶件具有足夠的強度、剛度,較高的耐磨性,接觸疲勞性能,良好的抗回火穩(wěn)定性(抗回火軟化,300～400 ℃)和一定的耐高溫腐蝕性能等[3-4],對材料的設(shè)計和工藝提出了極高的要求。

針閥體制造企業(yè)使用的鋼材牌號主要有18Cr2Ni4WA、18CrNi4WA、18CrNi8、R18CrNi8等,分別適配于不同型號的發(fā)動機主機上,以滿足國家不同的排放標準的要求[5]。目前,國家主要采用的是國4、國5的排放標準要求,噴射壓力均超過160 MPa[6],因此,鋼材需要經(jīng)過滲碳熱處理得到高硬度的表面層和低碳堅韌的內(nèi)部層,滿足工況對鋼材的性能要求。即使如此,因針閥體的服役條件惡劣,在噴油嘴的實際使用過程中也難免發(fā)生故障。

本文針對某品牌柴油發(fā)動機的某型噴油嘴針閥體在服役期間發(fā)生的橫向斷裂進行了失效分析。失效樣品用鋼牌號為R18CrNi8,該針閥體的加工流程為:棒材下料→內(nèi)外腔表面車加工→滲碳→淬火→深冷時效處理→回火→內(nèi)外密封面超精加工。表面及內(nèi)孔經(jīng)過滲碳處理,在針閥體工作過程中發(fā)生了橫向斷裂,斷裂位置發(fā)生在針閥體小肩胛面上(即小圓柱外徑尺寸變化處),沿橫向貫穿,斷口平齊、斷面與軸徑向垂直,樣品的形貌如圖1所示。為了查明該針閥體的失效原因,避免類似的事故再次發(fā)生,本文對其進行了一系列檢驗并提出了相應的改進措施。

圖1 斷裂的針閥體

2 試驗方法

取斷裂失效樣品,使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)測定樣品的化學成分。使用體式顯微鏡及掃描電子顯微鏡對斷裂樣品的斷口形貌進行觀察分析。將樣品沿中線進行縱向切割取樣,使用體式顯微鏡對針閥體斷裂面內(nèi)壁進行觀察分析。制備成金相樣品,使用180#至1 200#砂紙由粗到細依次打磨,2.5 pm的金剛石研磨膏進行拋光,后選用4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液進行腐蝕,采用金相顯微鏡對樣品的表層及芯部進行金相組織分析。

3 試驗結(jié)果與失效原因分析

3.1 化學成分及非金屬夾雜物分析

將失效的針閥體樣件切割進行化學成分測試,化學成分見表1。結(jié)果顯示,失效針閥體的化學成分各元素的含量在R18CrNi8鋼材標準成分要求的范圍之內(nèi)。

表1 失效針閥體用鋼化學成分

將失效樣件沿縱向切割,制備金相樣品進行夾雜物分析,按照國家標準GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖纖維檢測法》對鋼中非金屬夾雜物進行評級,結(jié)果見表2。硫化物類細系,鋼中球狀氧化物類、單顆粒球狀類夾雜物為0.5級,其他非金屬夾雜物均為0級,符合針閥體用鋼要求。

表2 針閥用鋼非金屬夾雜物評級表

通過對失效樣件的化學成分及夾雜物分析結(jié)果可見,R18CrNi8針閥用鋼的原始材料指標符合針閥體制造用鋼的要求。

3.2 斷口形貌分析

對失效針閥體的斷裂面進行體式顯微鏡觀察,結(jié)果見圖2。通過對斷裂面上宏觀形貌的分析,按照斷裂面上的放射區(qū)、剪切唇及斷裂形貌可以判斷斷裂源區(qū)基本位于斷裂面上的凸起區(qū)域,如圖2(b)箭頭所指位置。同時,在斷裂面上有較為明顯的過熱痕跡。為了進一步分析斷裂形式,對裂紋斷面進行掃描電鏡分析,可見斷口呈暗灰色,裂紋沿晶界擴展,為典型的沿晶斷裂特征。選取發(fā)藍位置進行放大觀察,可見該區(qū)域表面有很多白色氧化點,為明顯的加熱氧化痕跡,證明該表面有過熱。

圖2 針閥體裂紋擴展區(qū)斷口形貌

由圖2(b)箭頭處可以看到,斷裂面裂紋源內(nèi)壁處十分粗糙,存在有較多凹凸不平的區(qū)域。為了進一步分析起裂原因,將失效針閥體的兩個斷裂面沿縱向打開,其體式顯微鏡觀察結(jié)果見圖3。由圖3可見,針閥體內(nèi)壁十分粗糙,有較多區(qū)域呈魚鱗狀損傷,損傷區(qū)域有且有較多的蝕坑及局部塑性變形,甚至機加工的粗糙痕跡,深度均為1～2 mm。因針閥體工作時內(nèi)壁需要與針閥、柴油進行反復摩擦,屬于工作面,因此,此類蝕坑及機加工痕跡的局部損傷很容易在針閥體內(nèi)表面引起應力集中。同時,由圖1(b)可知,斷裂面的外壁為針閥體小肩胛面,即外圓的直徑變化處,同樣也為應力集中區(qū)。因此,結(jié)合斷口處的裂紋擴展形貌,基本確定裂紋起源應從針閥體內(nèi)壁起源,進而沿針閥體外徑變化處斷裂,后沿針閥體壁周進行擴展,擴展完成后形成橫向斷裂。

為了確認內(nèi)壁蝕坑產(chǎn)生原因,對蝕坑內(nèi)部進行了掃描電鏡觀察,如圖3所示。放大后可以看到,內(nèi)壁表面的凹坑內(nèi)表面非常粗糙,有十分明顯的腐蝕痕跡,對其進行能譜成分分析,均為氧化鐵。本針閥體的工作環(huán)境是長期浸泡在燃油中,通常工作在壓力160 MPa、溫度200 ℃左右的條件下,工作環(huán)境非常嚴酷,流體壓力的變化引起流體微射流撞擊針閥體表面,這種反復的沖擊壓力造成失效件表面產(chǎn)生波浪狀的局部塑性變形和凹坑,形成了內(nèi)壁上的空蝕損傷[7]。當燃油的局部壓力達到一定水平時,在快速流動或振動的液體中容易產(chǎn)生氣泡,當這些氣泡遇到一個高壓區(qū)域,它們會崩裂并引起表面的爆炸沖擊。這些沖擊引起針閥體表面局部變形和凹坑,這些凹坑最終連成一片導致表面變得粗糙,并造成材料損失。這種材料去除的過程被稱為空化侵蝕,由此產(chǎn)生的損傷稱為空蝕損傷[8-9]。從圖3(a)可以看到,空蝕損傷的區(qū)域主要為孔徑變化處,這里的變形區(qū)域容易積聚燃油,加速材料的腐蝕。同時,由圖3可以觀察到內(nèi)壁蝕坑上有較多的藍色過熱痕跡,主要原因在于噴油器將噴油泵供給的高壓燃油噴入燃燒室時,針閥體會產(chǎn)生一定的機械振動,且工作溫度反復變化,對針閥體的自由收縮和膨脹造成影響,在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度循環(huán)應力,引起材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應力。在溫度及機械振動等交變載荷作用下,內(nèi)壁的蝕坑等缺陷區(qū)域很容易導致應力集中,從而導致裂紋在應力集中處萌生,并在熱循環(huán)載荷的作用下發(fā)生開裂。

圖3 針閥體內(nèi)壁斷口處形貌

3.3 金相組織及碳化物分析

針閥體的服役環(huán)境為高壓高溫,即要求樣件表面及心部有較好的耐熱耐磨性能,因此會對針閥體內(nèi)外表面進行滲碳處理。將失效樣件制備金相樣品并使用金相顯微鏡觀察,結(jié)果見圖4。其心部未滲碳部分的組織主要為板條馬氏體及少量的鐵素體,滲碳層的金相組織為針狀馬氏體、殘余奧氏體及網(wǎng)狀碳化物。

圖4 針閥體表面及心部的顯微組織

理想的滲層組織狀態(tài)應為隱晶馬氏體加彌散分布的細小碳化物,滲碳層的碳化物形態(tài)對針閥體的耐磨性、耐用度起到十分重要的作用。本樣品中,局部滲碳層的碳化物沿晶界形成了明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),網(wǎng)狀碳化物導致界面結(jié)合力差,對基體的割裂作用明顯,破壞了基體的連續(xù)性,極大地削弱了晶界強度,造成材料脆化[10-12]。碳化物為脆性相,當硬而脆的碳化物數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀聚集時,表面滲碳層的強度、接觸疲勞強度及耐磨性會降低,而脆性顯著增加,導致此處極易產(chǎn)生應力集中,形成裂紋源。

針閥體的工作環(huán)境主要為200 ℃左右的高溫燃油環(huán)境,燃油中的硫醇(RSH)、硫醚(RSR)、二硫化物(RSSR)分解后都能產(chǎn)生硫化物。因此,在柴油燃燒過程中硫化物易與水和氧反應,結(jié)合形成連多硫酸和亞硫酸[13],對針閥體材料產(chǎn)生加速腐蝕作用;而在晶界上有網(wǎng)狀碳化物析出時,硫化物更加容易侵入,而對于具有網(wǎng)狀碳化物的滲層,裂紋容易沿晶擴展,這與前文掃描電鏡對斷裂面觀察的結(jié)論相符。

網(wǎng)狀碳化物的形成一般是由于滲碳熱處理時,滲碳碳勢偏高,或者工件隨著滲碳罐空冷時的冷卻速度緩慢造成的。由此分析可知,原滲碳熱處理未能使樣件滲碳層部分完全奧氏體化,導致碳化物未能完全融入奧氏體中,未得到最優(yōu)的滲碳層組織,導致針閥體在服役過程中,由內(nèi)壁滲碳層表面萌生裂紋,進而橫向擴展導致針閥體斷裂。

4 結(jié)論

R18CrNi8鋼制針閥體的主要失效形式為橫斷。根據(jù)以上各項分析結(jié)果可以推斷,針閥體斷裂的裂紋起源于針閥體小肩胛面內(nèi)壁處。由于滲層組織較差、內(nèi)壁空蝕損傷及局部機加工缺陷,在針閥體工作過程中,由高溫及機械振動等交變載荷作用萌生裂紋,導致產(chǎn)品使用壽命大為降低。

根據(jù)失效原因提出了改進措施:①盡量改善針閥體的加工質(zhì)量,特別是內(nèi)孔的精加工質(zhì)量。②在針閥體進行滲碳處理時,將原滲碳工藝的碳勢降低0.1%～0.2%,避免網(wǎng)狀碳化物的產(chǎn)生,延長回火時間至6 h,減少自身內(nèi)應力的影響,盡量產(chǎn)生致密的滲層組織。采取了以上措施后,用戶未再反饋針閥體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。