某氣體機進行缸蓋密封性水壓試驗時,出現(xiàn)漏水問題,拆檢后發(fā)現(xiàn)火花塞襯套開裂。襯套材料是鑄造黃銅ZCuZn38(H62),為工業(yè)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(chǎn)生裂紋的襯套進行化學(xué)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(qū)成分分析。
二、試驗結(jié)果
用直讀光譜檢測襯套化學(xué)成分,結(jié)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
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(nèi)側(cè)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(nèi)擴展。
圖1 襯套裂紋的宏觀形貌
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(chǎn)物及細(xì)小腐蝕坑,腐蝕產(chǎn)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(guī)則連續(xù)狀,有分叉、尾部較尖銳呈樹枝狀,與應(yīng)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(yīng)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
襯套為過盈配合,過盈量:0.069~0.100mm,有限元分析襯套裝配應(yīng)力(未安裝火花塞),圖4為襯套裝配態(tài)的第一主應(yīng)力云圖,亮色區(qū)域為拉應(yīng)力區(qū)。可見在襯套臺肩上方外壁與倒角外壁處和細(xì)頸內(nèi)表面的拉應(yīng)力較大,與實際裂紋起源位置一致。襯套細(xì)頸內(nèi)表面拉應(yīng)力雖然較大,但無密封膠,無應(yīng)力腐蝕條件。
圖4 襯套裝配態(tài)的第一主應(yīng)力云圖
三、結(jié)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(qū),熱壓力加工溫度應(yīng)不低于700℃。下限溫度偏低,材料容易產(chǎn)生開裂傾向;毛坯成形難度增加,殘余應(yīng)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(fā)生變化,必然產(chǎn)生一定數(shù)量的殘余應(yīng)力;數(shù)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(nèi)處在潮濕、腐蝕環(huán)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(chǎn)生了較大的拉應(yīng)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(huán)境。缸蓋進行水壓密封試驗時,襯套臺肩外壁處受力,產(chǎn)生裂紋并迅速擴展;襯套細(xì)頸內(nèi)表面拉應(yīng)力雖然較大,但未接觸密封膠,應(yīng)力腐蝕條件差。
四、結(jié)束語
1)襯套裂紋機制為應(yīng)力腐蝕沿晶脆性開裂。2)襯套裂紋集中出現(xiàn)在某月份,之前未出現(xiàn)批量裂紋故障,通過以上分析,確定襯套存在批次質(zhì)量問題,襯套加工過程中殘余應(yīng)力過大,導(dǎo)致襯套在裝配后附加拉應(yīng)力及密封膠(或加工過程中切削液)弱腐蝕環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。
作者:關(guān)慧歡,張懷青,徐繼東
單位:濰柴動力股份有限公司
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