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    清潔度技術文章

    汽車發動機高壓油管常見失效形式分析

    占比重也已經連年進入汽車發動機零部件失效數量的前十位,并有不斷增加的趨勢。

    發動機高壓油管是連接噴油泵與噴油器的重要零部件,承擔著給發動機輸送高壓燃油的任務。發動機高壓油管一旦出現開裂,引起漏油,不僅對發動機整機可靠性產生不利影響,而且,高壓燃油噴射泄露后,極有可能與發動機高溫部件接觸,導致嚴重的火災事故。

    因此,對目前市場上高壓油管的各類失效形式進行分析與總結,具有迫切的現實意義。

    高壓油管原材料內表面缺陷

    高壓油管制造過程中,其內表面經歷了復雜的拉拔變形過程,這一過程中不可避免地會形成各種程度上的內壁缺陷,其中最主要的是內壁裂紋缺陷。

     

    目前,國際上對高壓油管內壁質量的控制標準是ISO 8535-1:2011《柴油發動機 高壓燃油噴射管用鋼管 第1部分:無縫冷拔單壁鋼管的要求》,其中對內壁裂紋缺陷的分級標準見表1。

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    對于缺陷等級,一般企業都會根據高壓油管的工作條件,在其企業標準中有明確的規定。目前,國內普通汽車發動機高壓油管控制的缺陷等級多采用Q級及以上。內壁強化工藝是目前普遍采用的高壓油管內表面處理方法。該方法是通過優化管材表面應力的分布,產生內壓外拉的應力狀態,可有效減緩裂紋擴展速度,不僅能夠提高燃油管的耐壓能力,同時可以減少疲勞試驗中的數據分散性。

    內壁裂紋會導致高壓油管疲勞裂紋由此起源,嚴重降低高壓油管疲勞壽命,這種情況也是大部分高壓油管疲勞失效漏油的原因。

    如圖1a所示,某型發動機在用戶使用過程中發生漏油。該高壓油管材料為PP600鋼(德國標準,相當于國標20鋼),規格為Ф8mm×Ф3.5mm,硬度要求為260-290HV。表面質量要求為Q級(參考標準JB/T 8120.1-2000)。

    在油管漏油位置的外表面可見一條縱向裂紋,標記后將油管對剖,內表面的裂紋更明顯,內表面肉眼可見的裂紋約3cm長。打開裂紋,觀察斷面形貌,油管的斷面有一個明顯的弧形區域,灰黑色,平坦細致,有疲勞斷裂的宏觀特征,在斷面與油管內表面交界處有一條隱約可見的線狀痕跡,見圖1b。

    將斷口清洗后在掃面電鏡下觀察斷面的微觀形貌,在宏觀觀察中看到線狀痕跡所對應的斷面位置上看到一條寬約0.2mm的帶狀痕跡,這個區域的微觀形貌與斷口其它區域不同,并有明顯的分界線,見圖1c。此處的微觀痕跡有較多覆蓋的腐蝕產物,除此以外的斷口其他區域有明顯的疲勞輝紋特征,見圖1d。后打開的斷面如圖1e所示,為韌窩特征。在帶狀區域內的微區成分分析顯示,表面有Zn等元素,據此判斷這個條帶是在油管成形工藝中已經產生的原始裂紋,這是造成油管疲勞開裂直接原因。

     

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    (a)失效的高壓油管

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    (b)內壁裂紋源區原始裂紋

     

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    (e)最后斷裂區

    圖1. 高壓油管縱向裂紋及其微觀特征

     

    在裂紋附近取油管的周向試樣,觀察油管的金相組織及內表面質量。油管基體組織為鐵素體+珠光體;在油管內表面裂紋對應位置觀察到的裂紋形態見圖2,此裂紋由兩部分組成,內壁側的初始裂紋開口較寬,后擴展的疲勞裂紋在初始裂紋的尾端萌生并擴展,其中初始裂紋深度約0.20mm,與電鏡下觀察到的信息吻合。

     

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    2. 油管的金相組織及內表面裂紋

     

    圖2可以明顯看到,原始裂紋尾部金相組織流線有明顯的折疊形態,說明它是在油管內壁成形過程中形成的,且其缺陷級別遠大于Q級要求,這是造成高壓油管疲勞開裂導致漏油的根本原因。

    鐓頭和桿部過渡處的加工質量不良

    高壓油管鐓頭加工工藝過程復雜,變形量大,其內外表面金屬都經歷強烈的變形流動,如若工藝不當,都可能出現金屬流線曲折甚至出現冷折疊缺陷。如圖3是對某一高壓油管鐓頭內外表面金相檢查發現的冷折疊形態。

    鐓頭處的各種工藝缺陷,在使用過程中,將會成為疲勞裂紋的起源,導致油管開裂漏油,因此,各企業都會在其內部標準中對此缺陷形態加以控制,主要是對鐓頭冷折疊裂紋的深度加以控制。

     

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    (a)內表面冷折疊

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    (b)外表面冷折疊

    圖3. 鐓頭內外表面冷折疊缺陷形態

     

    某型發動機進行制動試驗,進行至31小時后,發現高壓油管漏油因而停止試驗。高壓油管材料牌號為ST52.4(德國牌號),管件規格為Φ6.4mm×2.2mm。高壓油管和兩端鐓頭外觀如圖4a。將高壓油管兩端鐓頭部位取下,用線切割對剖,可見鐓頭與桿部圓角過渡處存在一條長約9mm的裂紋,如圖4b。打開裂紋,可見斷口為淺灰色,較平坦,斷口從高壓油管表面起源,向內壁擴展,并且已向內表面裂穿,如圖4c。

     

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    (a) 失效的高壓油管

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    (b)開裂部位

     

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    (c)斷口形貌

    圖4. 失效的高壓油管及其裂紋特征

     

    掃描電鏡下觀察,斷口源區表面低倍形貌如圖5a所示,斷口源區可見較多的疲勞臺階,說明斷口為周向起源的疲勞開裂,如圖5b。斷口的疲勞特征如圖5c 所示。在電鏡下觀察鐓頭斷口附近表面形貌,此處為鐓頭與桿部過渡處,可見在此處存在較多金屬擠壓變形流動的痕跡,并且形成了微裂紋,這些微裂紋應為加工過程中形成的,如圖5d。高壓油管鐓頭與桿部過渡處是受力較大的部位,此處形成的加工微裂紋大大增加了發生疲勞開裂的危險。

     

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    (a)斷口低倍

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    (b)疲勞源區

     

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    (c)疲勞擴展區

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    (d)表面微裂紋

    圖5. 斷口微觀特征

     

    高壓油管兩端鐓頭的金相組織如圖6,均為鐵素體+珠光體。金相組織可見,鐓頭出存在明顯的冷折疊缺陷,這是導致疲勞裂紋起源的直接原因。

     

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    (a) 鐓頭冷折疊缺陷

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    (b)鐓頭冷折疊缺陷

    圖6. 鐓頭的金相組織與缺陷形態

     

    高壓油管外壁“夾雜物”缺陷

     

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    (a)失效的油管

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    (b)斷口形貌

    圖7. 開裂漏油的高壓油管及打開后的裂紋面

     

    目前,國內高壓油管管材幾乎都是進口,而目前相關的ISO標準和國標中,都沒有對管外壁微觀質量進行明確的規定。近年來,多次出現了疲勞裂紋由油管外表面類似夾雜物缺陷處起源,導致油管開裂漏油的案例。甚至,還多次發生過因為這種外表面類似夾雜物缺陷導致在油管鐓包加工過程中導致開裂的現象。而對于這種外表面類似夾雜物的缺陷,到目前為止,還沒有發現相關的研究。下面通過具體案例對此介紹。

    某型試驗車在進行寒區試驗過程中發現高壓油管漏油,經檢查發動機一缸高壓油管油軌端缸體內側油管折彎處漏柴油,車輛行駛總里程46000公里。失效的油管見圖7a,其中黑色箭頭所指為發現漏油部位。將裂紋打開,如圖7b所示,可見裂紋面平坦,開裂部位已經管體裂穿。

    掃描電鏡下裂紋源區如圖8a所示,可見裂紋起源在震動應力最大部位,但局部為一線源,源區存在多個疲勞臺階。圖8b是源區局部放大,可見裂紋源區的每一臺階內,疲勞裂紋各自獨立萌生、擴展最后匯合成為一線源。圖8c為疲勞擴展區斷口形貌。

     

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    (a)裂紋源區

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    (b)源區局部放大

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    (c)疲勞擴展區

    圖8. 疲勞裂紋源區與擴展區斷口形貌

     

    觀察斷口側面,如圖9所示,可見管外壁分布有不規則的龜裂狀裂紋,其中疲勞臺階與這種微裂紋有明顯的對應關系,可見裂紋起源與此有關。

     

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    圖9. 斷口側面微裂紋形態

     

    觀察油管截面金相組織,如圖10所示,基體金相組織為鐵素體+珠光體。油管表面存在一層約20um的脫碳層,脫碳層中分布有灰色類似夾雜物形態的物質。

     

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    ① Wood Lamp Design

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    ② Wood Lamp Design

     

    圖10. 油管金相組織及表面類似夾雜物形態

     

    圖11是掃描電鏡下上述類似夾雜物形態物質的形貌??梢娺@些都分布在表面層,多數貫通到最外層,且割裂基體并導致基體在變形時產生裂紋,這與圖9的龜裂裂紋相對應。如圖11c是基體組織的X-射線能譜分析結果,與之對應,如圖11d中白色箭頭所指,是對這一灰色物質進行X-射線能譜分析的結果??梢?,油管基體成分為Fe、Mn(Zn、P為表面鍍鋅層影響導致),而灰色物質相成分非常復雜,除了基體成分以外,還有:Si、V、Cr等元素。

     

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    根據上述結果推測,分布于油管表層的這層物質,可能來源與管材成形過程中,模具表面氧化皮脫落然后被壓入油管表面,再在后期變形過程中被擠入、碾碎、壓裂,分布于管壁外表面。由于目前國內并沒有高壓油管的加工線,其它類似的管材加工過程也未見類似報道,因此,對上述類似夾雜物物質的來源的推測是否正確,目前還無法驗證。

    根據上述分析,高壓油管表面的類似夾雜物缺陷是導致其疲勞開裂的根本原因。

    由于高壓油管通常會在表面有一層鍍鋅層,從外觀無法檢查此類缺陷,且現有的國家標準無法對這類缺陷進行檢驗、預防。有鑒于此,對油管外表面質量的控制非常必要,目前,相關企業標準的制訂正在進行中。

     


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