汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水套絲堵斷裂原因分析和改善措施

范奇達(dá)

（舟山市7412 工廠，舟山 316041）

0 引言

水套的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和缸體內(nèi)壁的溫度通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱能轉(zhuǎn)移到冷卻液。冷卻液在水泵作用下循環(huán)到散熱器，由散熱器通過(guò)外界空氣的流動(dòng)而散熱，降溫后的冷卻液再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)水套接收發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，如此循環(huán)。而水套絲堵的作用就是將水套加工孔進(jìn)行密封，確保發(fā)動(dòng)缸蓋中的冷卻液在循環(huán)過(guò)程中不產(chǎn)生泄露。

某汽車主機(jī)廠在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上裝配水套絲堵時(shí)發(fā)生頂部剝離斷裂（圖1）。該水套絲堵為螺栓結(jié)構(gòu)，規(guī)格為M22×1.5×13.5，材質(zhì)為10A（碳素鋼，含碳0.08%～0.13%），熱軋線材，經(jīng)小變形量冷拉改制處理。為此，對(duì)這批水套絲堵進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

圖1 水套絲堵斷裂位置及斷口形貌

1 斷裂水套絲堵宏觀分析

水套絲堵斷面與軸線垂直，斷口沿頸部及內(nèi)六角壁發(fā)展，未見(jiàn)變形現(xiàn)象，斷口呈平滑細(xì)瓷狀，并伴有層狀剝離的平面。根據(jù)絲堵斷面的低倍形貌，呈“河流花樣”。河流花樣中的每條支流都對(duì)應(yīng)著一個(gè)不同高度相互平行的解理面之間的臺(tái)階。根據(jù)斷口宏觀形貌分析，為典型的解理斷口。初步分析，螺栓頭部冷變形過(guò)大產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力聚集，達(dá)到一定條件下受拉應(yīng)力作用，而沿某些特定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離。

2 化學(xué)成份分析

按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的檢測(cè)要求，利用牛津火花光譜儀FMP 44p0035 對(duì)斷裂的水套絲堵進(jìn)行化學(xué)成分分析（表1）。根據(jù)分析結(jié)果可知，水套絲堵的化學(xué)成分符合Q/BQ 517-2018 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)10A 鋼的要求。用洛氏硬度計(jì)對(duì)斷裂水套絲堵硬度進(jìn)行測(cè)試，亦符合標(biāo)準(zhǔn)。

表1 失效水套絲堵的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 金相檢測(cè)

3.1 同批次水套絲堵金相檢測(cè)

將斷裂水套絲堵沿軸線方向切開(kāi)，將斷面分為6 個(gè)區(qū)域，分別針對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行金相檢測(cè)（圖2）。經(jīng)檢查可以發(fā)現(xiàn)，斷面基本沿變形鐵素體晶粒的晶界發(fā)展，而與原始珠光體流線垂直。1 區(qū)在垂直斷面區(qū)，開(kāi)裂基本沿以上金屬流線，并與晶界相關(guān)發(fā)展（圖3）。4 區(qū)因冷成型作用縱向帶狀組織嚴(yán)重被壓縮，存在組織層疊交錯(cuò)（圖4）。零件材料未變形區(qū)5 區(qū)和6 區(qū)存在較嚴(yán)重帶狀珠光體組織（圖5）。2 區(qū)和3 區(qū)為因冷成型作用帶狀組織被橫向壓縮密集（圖6）。

圖2 對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行金相檢測(cè)

圖3 支撐面R角處（金相1區(qū)）金相（50X)

圖4 （金相4 區(qū)）金相(100X)

圖5 （金相5 區(qū)和金相6 區(qū)）金相

圖6 （金相2 區(qū)和金相3 區(qū)）金相(50X)

3.2 其他批次水套絲堵金相檢測(cè)

對(duì)其他批次未發(fā)生斷裂的水套絲堵做金相檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)未變形區(qū)5 區(qū)和6 區(qū)存在的帶狀珠光體組織，比斷裂批次水套絲堵中的較輕（圖7）。按照GB/T 34474.1-2017《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第1 部分：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》，未斷裂批次零件的帶狀組織評(píng)定為3 級(jí)，而斷裂批次的帶狀組織可評(píng)定為5 級(jí)。

圖7 其他批次零件（金相5 區(qū)和金相6 區(qū)）金相

3.3 金屬流線分析

對(duì)同批次斷裂水套絲堵做金屬流線分析。低倍下可見(jiàn)頭部呈梯形，金屬流線沿梯形輪廓均勻分布，在底部轉(zhuǎn)彎，底層斷面沿流線發(fā)展（圖8）?？梢?jiàn)流線與零件的幾何形狀相符合，流線分布正常。在垂直斷面區(qū)，開(kāi)裂基本沿金屬流線。

圖8 金屬流線分析

3.4 斷口掃描分析

將斷面分為A、B、C、D、E 五個(gè)區(qū)域，用電子顯微鏡進(jìn)一步掃描（圖9）。圖10 所示為A 區(qū)低倍形貌，該A 區(qū)域?yàn)閿嗔哑鹗紖^(qū)，斷面平整。斷口內(nèi)部可見(jiàn)明顯的解理形貌，并伴有500 μm長(zhǎng)的B 類夾雜物。按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，夾雜物評(píng)級(jí)為2.5 級(jí)。

圖9 試樣斷裂斷口宏觀形貌

圖10 A 區(qū)低倍形貌

B 區(qū)斷口形貌與C、D、E 區(qū)一致，斷口之中清晰可見(jiàn)的解理形貌便是裂紋擴(kuò)展區(qū)，同頭桿連接處臨近且清晰可見(jiàn)的便是韌窩形貌，為終擰區(qū)（圖11）。

圖11 B 區(qū)微觀形貌

4 分析與討論

（1）對(duì)同批次零件流線分析可看到，頭部未見(jiàn)有流線不順、冷鐓折疊等常見(jiàn)導(dǎo)致零件頸部斷頭的缺陷。因此，該失效件開(kāi)裂不是從外緣起始或頭部支撐面R 角處開(kāi)裂。

（2）對(duì)失效的水套絲堵進(jìn)行化學(xué)成分、硬度分析，未見(jiàn)異常。

（3）由金相分析可推斷，該批次零件帶狀組織評(píng)定為5 級(jí)，較未斷裂批次零件嚴(yán)重。由于鋼液在鑄錠結(jié)晶過(guò)程中選擇性結(jié)晶，形成化學(xué)成分呈不均勻分布的枝晶組織。鑄錠中的粗大枝晶在軋制時(shí)沿變形方向被拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶（實(shí)質(zhì)上是條）和貧化帶彼此交替堆疊。

在緩冷條件下，先在碳及合金元素貧化帶（過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較低）析出先共析鐵素體，將多余的碳排入兩側(cè)的富化帶，最終形成以鐵素體為主的帶。而碳及合金元素富化帶（過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較高）在其后形成以珠光體為主的帶。而以鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替，形成了帶狀組織。

成分偏析越嚴(yán)重，形成的帶狀組織也越嚴(yán)重。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，它們的性能也不相同，在外力作用下性能低的帶易暴露出來(lái)。而且強(qiáng)弱帶之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成了總體力學(xué)性能降低，并具有明顯的各向異性。

（4）使用電子顯微鏡對(duì)斷口掃描，發(fā)現(xiàn)斷裂起始區(qū)伴有長(zhǎng)度約500 μm 長(zhǎng)的B 類夾雜物。夾雜物中元素的不均勻性與化合物的組成問(wèn)題，是鋼中存在夾雜物的主要形式，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)重的危害。

鋼中存在的多種夾雜物的元素及其反應(yīng)生成的化合物體系中，會(huì)產(chǎn)生各種不同比例的化合物，有些化合物分子有缺陷而不完整。像鋼中O 與Ai、Si、Cr、Mn 和Fe 等元素反應(yīng)，可形 成AlO、SiO、CrO、MnO、FeO和FeO 等氧化物以及FeO?CrO等復(fù)雜氧化物夾雜。鋼中氧化物和硅酸鹽的存在，破壞了鋼基體的連續(xù)性并導(dǎo)致了應(yīng)力集中，從而降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能。一方面增強(qiáng)鋼的力學(xué)性能的方向性使橫向性能惡化；另一方面使鋼的切削加工性能下降，而且很難拋光。一些鋼材的表面的翻皮、結(jié)疤、凹凸不平以及裂紋等缺陷均與鋼中的非金屬夾雜物有關(guān)，其主要是SiO?FeO?AlO以及鈦的氧化物和氮化物。

（5）對(duì)于該失效件來(lái)說(shuō)，因材料變形過(guò)程中內(nèi)部存在應(yīng)力分布，剛好在應(yīng)力集中位置存在較嚴(yán)重的帶狀組織并伴隨著夾雜物的出現(xiàn)，從而形成微裂紋，只有在這多重因素交加的情況下才導(dǎo)致該水套絲堵在擰緊過(guò)程中受力斷裂。

5 解決措施

（1）通過(guò)合理的熱處理能有效減輕帶狀組織的級(jí)別。鋼在退火過(guò)程中，由于隨爐冷卻，使先共析鐵素體析出充分，加重帶狀組織級(jí)別。在正火過(guò)程中，冷卻較快，可以減輕帶狀組織。

（2）采用等溫正火工藝可有效抑制帶狀組織的產(chǎn)生。將鋼材加熱到Ac3 或Acm 以上30～50℃，保溫一段時(shí)間，快速冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)的某一溫度，然后進(jìn)行保溫，使其完成鐵素體和珠光體的均勻轉(zhuǎn)變，隨后在空氣中進(jìn)行冷卻。另外，采用“高溫固溶+球化”工藝將鋼材加熱到Ac3 以上160～200℃，通過(guò)較高的溫度保溫，得到成分均勻的單相奧氏體；之后極快冷卻到馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域抑制鐵素體的先析出，然后進(jìn)行等溫正火的處理，最終細(xì)化帶狀組織。

（3）選擇合適的精煉渣。精煉渣的主要作用是脫氧、脫硫、保溫和吸收鋼中的夾雜物。高AlO、高堿度的精煉爐頂渣，通過(guò)渣-鋼反應(yīng)促進(jìn)鋼中生成較低熔點(diǎn)的非金屬夾雜物，有利于改善鋼材的疲勞性能。