11.0 L 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧斷裂分析及優(yōu)化措施

摘要：采用形貌觀察、顯微組織檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)等方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧進(jìn)行綜合試驗(yàn)，分析彈簧斷裂的原因。結(jié)果表明：彈簧經(jīng)繞制后，內(nèi)圈表面存在較大張應(yīng)力，若回火不充分會(huì)造成內(nèi)圈形成過(guò)大殘余張應(yīng)力，容易導(dǎo)致彈簧內(nèi)圈開(kāi)裂。為此，采用150 000 Hz 高頻感應(yīng)淬火，并通過(guò)拋丸強(qiáng)化表面，將殘余張應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，以提高氣門(mén)彈簧的疲勞壽命及載荷能力，有效解決氣門(mén)彈簧斷裂問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：氣門(mén)彈簧；斷裂；顯微組織；殘余應(yīng)力；裂紋

0 前言

氣門(mén)彈簧是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的主要部件之一，它的作用是保證氣門(mén)與氣門(mén)座緊密閉合，防止氣門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中因氣門(mén)、推桿和挺柱等運(yùn)動(dòng)件的慣性力而發(fā)生脫落和氣門(mén)彈跳。因?yàn)闅忾T(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，氣門(mén)及其傳動(dòng)件處于減速運(yùn)動(dòng)，它們的慣性力與氣門(mén)彈簧的彈力相反，當(dāng)后者小于前者時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。在檢查發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣門(mén)、推桿和挺柱有彼此脫落現(xiàn)象。拆開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)，氣門(mén)彈簧已經(jīng)斷裂。本文從宏觀形貌、顯微組織、硬度及力學(xué)性能等方面對(duì)彈簧斷裂進(jìn)行分析［1］，查找氣門(mén)彈簧斷裂的根本原因。

1 問(wèn)題描述

某11.0 L 雙渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在行駛里程近1.8 萬(wàn)km 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)異響。拆解發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)氣門(mén)彈簧已經(jīng)斷裂。為了查明氣門(mén)彈簧斷裂的根本原因，抽取該發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸及第四缸的2 根斷裂氣門(mén)彈簧進(jìn)行失效分析，2 根斷裂彈簧分別標(biāo)記為彈簧1、彈簧2。用火花看色譜定性和半定量分析來(lái)鑒別材料牌號(hào)，斷裂彈簧材料牌號(hào)鑒別為65 Mn，符合技術(shù)要求。

2 斷裂原因分析

2. 1 彈簧1

彈簧1 的宏觀形貌如圖1 所示。斷裂部位為彈簧端面，外圈表面無(wú)明顯的損傷痕跡。彈簧內(nèi)表面有輕微的擠壓痕跡（非斷口處），如圖1（c）所示；另一端內(nèi)表面擠壓痕跡則在對(duì)角部位，如圖1（d）所示。

由圖1 可以看出：彈簧端部不垂直于彈簧軸向，裝配后，彈簧一端內(nèi)表面的一側(cè)與螺桿靠緊，另一端內(nèi)表面的對(duì)角部位與螺桿靠緊。由此判斷彈簧內(nèi)表面的擠壓痕跡是被螺桿擠壓形成的。

斷口的宏觀形貌如圖2 所示，裂紋源區(qū)位于彈簧的內(nèi)側(cè)表面處，有明顯的發(fā)黑特征，為線狀多源［2］。斷口的掃描電鏡照片如圖3 所示，裂紋源區(qū)表面有一層覆蓋物，呈小團(tuán)狀，其上有針狀的結(jié)晶體。對(duì)覆蓋物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：覆蓋物富含鋅和氧元素。再對(duì)彈簧表面進(jìn)行能譜分析，同樣富含鋅和氧元素。因此，判斷源區(qū)處在鍍鋅前已存在裂紋，在鍍鋅過(guò)程中，鋅滲入裂縫。

取彈簧1 的橫截面作為磨面，進(jìn)行金相分析檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出，該彈簧斷口金相組織為回火屈氏體，表面無(wú)明顯脫碳。

取彈簧1 的橫截面作為磨面，檢查其洛氏硬度為46 HRC，符合彈簧件技術(shù)要求（42 HRC～48 HRC）。

2. 2 彈簧2

對(duì)彈簧2 進(jìn)行觀察，斷裂幾乎發(fā)生在相同的部位，如圖5 所示。斷口的掃描電鏡照片如圖6 所示。由圖6 可以看出：裂紋源同樣起源于靠彈簧內(nèi)側(cè)的表面處，斷裂模式相似。源區(qū)處也被大量的含鋅結(jié)晶狀物質(zhì)所覆蓋，結(jié)合能譜分析，對(duì)覆蓋物浸入彈簧的深度進(jìn)行測(cè)量，深度為0.4 mm。

取彈簧2 的橫截面作為磨面，進(jìn)行金相分析檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7 所示。以垂直于斷口的剖面為磨面，對(duì)斷口毗鄰處進(jìn)行金相分析檢驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。由圖7～圖8 可以看出，該彈簧斷口金相組織為回火屈氏體，表面無(wú)明顯脫碳，且內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)其他裂紋。

取彈簧2 的橫截面作為磨面，檢查其洛氏硬度為45 HRC，符合彈簧件技術(shù)要求（42 HRC～48 HRC）。

2. 3 討論與分析

彈簧的材料牌號(hào)、硬度均符合技術(shù)要求，顯微組織為回火屈氏體，表面無(wú)明顯脫碳。斷口宏觀分析表明，故障件的裂紋起源于彈簧內(nèi)側(cè)表面，為線狀多源。斷口微觀分析表明，斷口源區(qū)部位有大量的結(jié)晶狀覆蓋物，經(jīng)能譜分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋物富含鋅和氧元素。彈簧表面能譜分析結(jié)果表明，彈簧表明同樣富含鋅和氧元素。由此判斷，彈簧在鍍鋅前已存在裂紋，在鍍鋅過(guò)程中，鋅滲入裂縫。

分析彈簧內(nèi)圈產(chǎn)生裂紋的可能原因如下：

（1） 彈簧材料在加工過(guò)程中形成裂紋。彈簧鋼線材在運(yùn)輸過(guò)程中防護(hù)不良，磨損后形成局部表面硬化，在拉拔過(guò)程中形成垂直于鋼絲徑向的橫向裂紋。由于該裂紋在材料表面位置不固定，有概率在繞制過(guò)程中遺留在彈簧內(nèi)圈。

改善此現(xiàn)象的方法為運(yùn)輸過(guò)程采取防護(hù)，即線材由鋼廠生產(chǎn)后整體包裝，避免運(yùn)輸過(guò)程中的非預(yù)期磨損。

（2） 彈簧在電鍍過(guò)程中形成裂紋。彈簧經(jīng)繞制后，內(nèi)圈表面存在較大張應(yīng)力［3］，回火不充分會(huì)造成內(nèi)圈殘余過(guò)大張應(yīng)力，在后續(xù)的處理過(guò)程中，容易導(dǎo)致彈簧開(kāi)裂。此原因形成的橫向裂紋僅存在于彈簧內(nèi)圈。

改善此現(xiàn)象的方法為改善回火的熱處理工藝，消除彈簧內(nèi)圈過(guò)大的殘余應(yīng)力，提高彈簧安全系數(shù)。

3 優(yōu)化方案

針對(duì)氣門(mén)彈簧斷裂是由于彈簧鋼絲殘余應(yīng)力引起的斷裂，采用優(yōu)化彈簧熱處理工藝可以使彈簧性能達(dá)到使用要求。氣門(mén)彈簧鋼絲經(jīng)過(guò)卷簧后，在高頻感應(yīng)爐進(jìn)行150 000 Hz 高頻感應(yīng)淬火，溫度達(dá)到850 ℃后，用水冷卻，使彈簧表面獲得相應(yīng)的硬度，再進(jìn)行回火處理。這樣淬火使彈簧獲得了高的強(qiáng)度和耐磨性，回火使彈簧釋放有害的殘余應(yīng)力，有效提升彈簧的拉伸強(qiáng)度，回火后的彈簧拉伸強(qiáng)度可提高80% 以上。同時(shí)，通過(guò)拋丸強(qiáng)化表面，將殘余拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，增加彈簧的表面強(qiáng)度，從而提高氣門(mén)彈簧的疲勞壽命。按照在高頻感應(yīng)爐進(jìn)行150 000 Hz 高頻感應(yīng)淬火和回火處理，再進(jìn)行拋丸強(qiáng)化表面工藝制造，抽取加工后的氣門(mén)彈簧進(jìn)行殘余壓應(yīng)力檢測(cè)，氣門(mén)彈簧殘余壓應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果比其他傳統(tǒng)工藝的檢測(cè)結(jié)果提升50%。

4 優(yōu)化效果

為了驗(yàn)證優(yōu)化措施后的彈簧可靠性，在某型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了全速全負(fù)荷的1 000 h 的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，沒(méi)有發(fā)生氣門(mén)彈簧斷裂現(xiàn)象；并且經(jīng)過(guò)市場(chǎng)約3 萬(wàn)臺(tái)在用發(fā)動(dòng)機(jī)的使用驗(yàn)證，目前沒(méi)有彈簧斷裂的故障反饋。以上說(shuō)明，本優(yōu)化方案能有效提升彈簧的疲勞壽命，能夠有效解決氣門(mén)彈簧的斷裂問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)11.0 L 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧斷裂問(wèn)題，利用宏觀形貌、顯微組織、硬度對(duì)彈簧斷裂進(jìn)行了分析，分析結(jié)果都符合彈簧的技術(shù)要求，判斷氣門(mén)彈簧斷裂是由于彈簧鋼絲殘余張應(yīng)力引起的斷裂。優(yōu)化彈簧熱處理工藝，在高頻感應(yīng)爐進(jìn)行150 000 Hz高頻感應(yīng)淬火，溫度達(dá)到850 ℃后，用水冷卻，使表面獲得相應(yīng)的硬度，再進(jìn)行回火處理。淬火使彈簧獲得了高的強(qiáng)度和耐磨性，回火使彈簧釋放有害的殘余應(yīng)力，有效提升彈簧的拉伸強(qiáng)度。通過(guò)拋丸強(qiáng)化表面，將殘余拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，可以增加彈簧的表面強(qiáng)度，從而提高氣門(mén)彈簧的疲勞壽命，有效解決了氣門(mén)彈簧斷裂問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

［ 1 ］ 白云嶺. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧斷裂分析與預(yù)

防[J]. 熱加工工藝，2016，45（22）：260-262.

［ 2 ］ 姜錫山， 趙晗. 鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè)[M].

北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［ 3 ］ 杜丹，汪淑風(fēng)，胡義祥. 汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向泵失效

分析[J]. 理化檢驗(yàn)（ 物理分冊(cè)）， 2015， 5l（10）：

755-758.