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黃銅材料的火花塞襯套開裂，原因竟是殘余應力過大

某氣體機進行缸蓋密封性水壓試驗時,出現漏水問題,拆檢后發現火花塞襯套開裂。襯套材料是鑄造黃銅ZCuZn38(H62),為工業上廣泛使用的有色金屬合金。工藝流程是:鑄造銅棒→熱壓力加工→機械加工→裝試。

一、試驗方法

采用OBLF直讀光譜儀對產生裂紋的襯套進行化學成分分析;采用Zeiss Axio金相顯微鏡進行金相檢驗,用線切割的方法截取樣品。采用配備有X射線能譜儀的Zeiss EVO18掃描電子顯微鏡對裂紋進行顯微觀察和微區成分分析。

二、試驗結果

2.1 化學成分測試

用直讀光譜檢測襯套化學成分,結果見表1。符合GB/T 1176—2013《鑄造銅及銅合金》要求。

表1 襯套的化學成分(質量分數) (%)

2.2 宏觀觀察

襯套有兩條裂紋,從襯套臺肩沿軸向向下延伸,裂紋較平直,近乎平行,臺肩倒角部位殘留有綠色密封膠。裂紋向臺肩內側延伸并逐漸變窄,如圖1所示,說明裂紋起源于臺肩外壁處,并向下和向內擴展。

圖1 襯套裂紋的宏觀形貌

2.3 微觀觀察

通過電鏡掃描,可以看到靠近襯套外表面有一層絮狀物,如圖2a、圖2b所示。并且可以看出整個裂紋斷口顯示為脆性斷裂:冰糖狀沿晶斷裂,少量部分穿晶,且晶界有腐蝕產物及細小腐蝕坑,腐蝕產物主要含O、Cu、Zn、Al,如圖2c、圖2d所示。人為撕裂的新鮮斷口拋物線型韌窩斷裂,且韌窩清晰、潔凈,斷裂形貌正常,如圖2e、圖2f所示。原始斷口可見沿軸向的層片狀條帶。

圖2 襯套斷口掃描電鏡

沿軸向研磨、拋光、腐蝕,觀察裂紋及金相組織情況,如圖3所示。裂紋呈不規則連續狀,有分叉、尾部較尖銳呈樹枝狀,與應力腐蝕裂紋的典型特征相吻合,因而我們初步判定該裂紋是應力腐蝕裂紋。金相組織為α相+極少量點狀β相,且組織中有明顯的滑移線,裂紋襯套帶狀組織明顯。

圖3 裂紋處金相組織

2.4 有限元分析

襯套為過盈配合,過盈量:0.069~0.100mm,有限元分析襯套裝配應力(未安裝火花塞),圖4為襯套裝配態的第一主應力云圖,亮色區域為拉應力區。可見在襯套臺肩上方外壁與倒角外壁處和細頸內表面的拉應力較大,與實際裂紋起源位置一致。襯套細頸內表面拉應力雖然較大,但無密封膠,無應力腐蝕條件。

圖4 襯套裝配態的第一主應力云圖

三、結論與分析

襯套毛坯在工藝溫度650~800℃熱壓力加工成形后,放置在空氣中,自然冷卻至室溫。資料中介紹:所有黃銅在200~700℃之間均有一個脆性區,熱壓力加工溫度應不低于700℃。下限溫度偏低,材料容易產生開裂傾向;毛坯成形難度增加,殘余應力較大。

襯套在機械加工過程中,與刀具頻繁接觸、受力,尺寸發生變化,必然產生一定數量的殘余應力;數控機床精加工使用的切削液含有S、鹵族元素等添加劑,使得襯套在一定時間內處在潮濕、腐蝕環境中。

襯套與缸蓋之間是過盈配合,壓力裝配后,在襯套臺肩上方外壁與倒角外壁處產生了較大的拉應力;裝配時涂在襯套臺肩處的密封膠基料為甲基丙烯酸酯,含有氨基催化劑,為襯套提供了弱腐蝕工作環境。缸蓋進行水壓密封試驗時,襯套臺肩外壁處受力,產生裂紋并迅速擴展;襯套細頸內表面拉應力雖然較大,但未接觸密封膠,應力腐蝕條件差。

四、結束語

1)襯套裂紋機制為應力腐蝕沿晶脆性開裂。

2)襯套裂紋集中出現在某月份,之前未出現批量裂紋故障,通過以上分析,確定襯套存在批次質量問題,襯套加工過程中殘余應力過大,導致襯套在裝配后附加拉應力及密封膠(或加工過程中切削液)弱腐蝕環境下發生應力腐蝕開裂。

參考文獻:略。

作者:關慧歡,張懷青,徐繼東

單位:濰柴動力股份有限公司


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