分享：汽车发动机气门弹簧断裂原因

摘要:某汽车在累计行驶600km后其发动机气门弹簧发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、断口分析和CT检测等方法对该气门弹簧的断裂原因进行了分析。结果表明:气门弹簧的断裂性质为疲劳断裂,喷丸过程导致弹簧内部产生凹坑缺陷,凹坑处的应力集中程度较大,在受循环往复作用力的条件下,弹簧表面形成微裂纹,并不断扩展,最终导致弹簧发生断裂。

关键词:汽车发动机;气门弹簧;疲劳断裂;凹坑;喷丸工艺

中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)03-0042-03

气门弹簧作为控制气门与气门座紧密结合的关键性发动机内部零部件,对于整车在行驶过程中的安全至关重要。气门弹簧利用自身弹簧的张力来抵消气门关闭时的阻力,使气门和气门座能达到一个紧密贴合的状态。气门弹簧出现断裂等问题时,弹簧自身张力瞬间失效,导致气门失去支撑并掉入燃烧室,将造成严重安全事故[1]。

气门弹簧断裂的主要原因有材料选择不当、工艺设计问题、相关件问题等[2-5]。材料选择不当包括材料本身存在缺陷(内部空穴、位错、夹杂等),工艺设计问题主要包括材料在加工过程中产生的外部磨损、应力残留以及产生共振等问题,相关件问题主要包括设置的锁夹槽位置过高或过低、凸轮升程过长或过短等[6-7]。

某汽车在累计行驶600km 后发动机出现异常响动,对发动机拆解后发现第二缸的第一个进气门的气门弹簧发生断裂,该气门弹簧材料为 VDSiCr钢,硬度为560~620HV,工艺制备流程为:卷簧→回火→磨簧 → 探伤 → 喷丸 → 立定处理→回火→清洗涂油→包装。笔者采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、断口分析和计算机断层扫描(CT)检测等方法,研究了该气门弹簧的断裂原因,并提出了改进建议,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对断裂气门弹簧进行宏观观察,结果如图1所示,可见该气门弹簧的直径为3.1mm,断裂发生于弹簧小头第3,4圈交界处,断口与弹簧的轴线夹角???呈45°,断口为银白色,呈现金属光泽,未被氧化或腐蚀,未出现颈缩等明显塑性变形行为。

?1.2 化学成分分析

对断裂气门弹簧取样进行化学成分分析,结果如表1所示,可知气门弹簧的化学成分符合技术要求。?

1.3 金相检验

在该气门弹簧断口附近截取试样,经镶嵌、磨制、抛光后,用光学显微镜进行观察,结果如图2所示,依据GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》对其所含的非金属夹杂物进行判定,结果为该气门弹簧不含非金属夹杂物。 ?

使用4%(体积分数)的硝酸乙醇溶液对上述试样进行腐蚀,并用光学显微镜进行观察,结果如图3 所示,可见清晰的回火屈氏体组织,组织较为均匀, 未发现明显的偏析或石墨化现象,在弹簧边缘位置也未发现明显的脱碳层,满足标准要求。

?1.4 硬度测试

在断裂气门弹簧上取样(试样1),同时在同批次弹簧上取样(试样2~6),进行维氏硬度测试,结?果如表2所示,断裂弹簧及同批次正常弹簧的硬度范围为 600~620 HV,符合技术要求 (570~ 620HV)。

?1.5 断口分析

用三维显微镜观察气门弹簧断口的宏观形貌, 结果如图4所示,可见其断口处明显存在凹坑缺陷, 且尺寸较大;另外在该弹簧的其他部位又发现了同样的凹坑,初步判断该凹坑为断裂源。 ?

对断口表面进行超声处理,清除表面油污等脏物,然后用扫描电子显微镜(SEM)对其进行观察, 结果如图5所示。由图5可知:断口表面有台阶状错层结构,在边缘沟壑位置存在一处明显的损伤缺陷,并且在损伤缺陷周围有明显的放射状纹路,由边缘向中心区域和四周辐射,判断该缺陷处为裂纹源; 放射棱线区域可见疲劳扩展区,扩展区较为平坦,但疲劳辉纹并不明显,且扩展区所占面积较小;断口中心部位以及其余周边边缘部位颜色发亮,可见韧窝撕裂形貌,判断其为瞬断区。

?1.6 CT检测

对同批次弹簧进行CT检测,结果如图6所示。由图6可知:同批次弹簧内部并未出现明显的裂纹或空穴,但弹簧内部水平截面有微小的缺口,其深度约为0.1mm。在同批次多个弹簧中都发现有类似的凹坑,凹坑大多处于弹簧内部,其形状大多为圆形,深度均大于0.1mm,推测凹坑的产生原因为喷丸工艺中存在喷丸过度所致。?

2 综合分析

由上述理化检验结果可知,该断裂气门弹簧的化学成分、显微组织及硬度符合技术要求,可以排除?因材料选择不当而引起弹簧断裂的原因。断裂弹簧的宏观形貌中未发现明显的塑性断裂特征,在弹簧外圈表面也未发现明显的裂纹或擦伤痕迹。断裂气门弹簧缺口裂纹源处存在明显缺陷,弹簧表面缺陷处产生存在应力集中,并产生微裂纹,气门弹簧在使用过程中不断受拉应力和压应力的作用,且弹簧表面长期承受扭切应力,裂纹不断扩展,最终导致气门弹簧发生断裂。

由同批次弹簧的 CT检测结果可知,弹簧内表面有小凹坑,凹坑大多为圆形。判定凹坑的产生与喷丸工艺有关,喷丸过程导致气门弹簧内圈表面产生凹坑缺陷,使得弹簧出现应力集中现象,最终造成气门弹簧断裂。

3 结论与建议

该气门弹簧断裂的原因为:喷丸工艺使气门弹簧表面存在缺陷,缺陷处极易产生应力集中,在循环应力的作用下,裂纹萌生并扩展,最终气门弹簧发生断裂。

建议在弹簧出厂前增加质检工艺,并重点检测???弹簧内圈等部位;要求原料供应商增加材料的表面硬度,提高弹簧在喷丸过程中的抗击打能力;优化喷丸工艺,注意喷丸流量和时间的选择,调整喷丸角度。

参考文献:

[1] 曾鹤龄,相华.发动机气门弹簧断裂问题分析[J].装备制造技术,2010(11):137-138.

[2] 樊坚兴.汽车发动机气门弹簧断裂原因分析[J].失效分析与预防,2015,10(1):21-25.

[3] 白云岭.汽车发动机气门弹簧断裂分析[J].理化检验 (物理分册),2013,49(7):476-478.

[4] 吴连伟,张德君,李文博,等.发动机气门弹簧与锁夹座自动装配的研究及应用初探[J].中国设备工程, 2022(2):141-144.

[5] 聂轮.气门弹簧早期断裂原因[J].理化检验(物理分册),2021,57(4):55-57.

[6] 陆慧,孙明正.船用柴油机拉缸故障失效分析[J].理化检验(物理分册),2022,58(2):45-48.

[7] 师利芳,刘正虎,周林.车用六角头螺栓断裂原因[J]. 理化检验(物理分册),2022,58(5):26-29.???

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 3期 (pp:42-44)?>

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