師利芳, 周隱玉2, 姜進(jìn)京, 孫曉波, 周 林

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心, 上海 200438； 2.上海材料研究所, 上海 200437)

盡管我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量中柴油機(jī)動(dòng)車數(shù)量占比不足10%，但由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所排放的氮氧化物，卻接近汽車總排放量的70%，其中顆粒物超過90%。因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制，已然成為了我國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治工作的重中之重[1-2]。

隨著最嚴(yán)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，為了降低污染物的排放，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度被大幅度提高。而作為汽車廢氣排放的首要通道，排氣歧管的工作環(huán)境也面臨著巨大的考驗(yàn)。

GhSiMoRct(以下簡(jiǎn)稱中硅鉬)球墨鑄鐵以其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和高溫化學(xué)穩(wěn)定性能，以及優(yōu)良的抗氧化性能，被廣泛用于高熱負(fù)荷的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管制造中。為確保柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在苛刻的工作環(huán)境下仍能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，某發(fā)動(dòng)機(jī)公司對(duì)某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了較為嚴(yán)苛的熱沖擊測(cè)試[3]。其中一排氣歧管在熱沖擊測(cè)試進(jìn)行至?xí)r長(zhǎng)不到1%時(shí)便發(fā)生了斷裂。為找到排氣歧管的斷裂原因，筆者對(duì)斷裂的零件進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析，并結(jié)合失效原因給出整改意見，以期從根本上防止此類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂排氣歧管的宏觀形貌如圖1所示?？梢娫撆艢馄绻苓M(jìn)氣口第2，3缸之間加強(qiáng)筋處有一條總長(zhǎng)度約12 cm的裂縫，如圖中箭頭所示，裂縫附近未見肉眼可見的鑄造缺陷,該排氣歧管的其他位置未發(fā)現(xiàn)開裂或明顯缺陷。

圖1 斷裂排氣歧管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured exhaust manifold

為排查斷裂件是否有其他肉眼不可見的缺陷，對(duì)斷裂件進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示?？梢姶欧厶絺Y(jié)果與肉眼觀察結(jié)果一致，在排氣歧管進(jìn)氣口第2，3缸之間的加強(qiáng)筋處，裂紋較明顯。

圖2 斷裂排氣歧管磁粉探傷檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Magnetic particle inspection results of fractured exhaust manifold:a) side view of crack; b) main view of crack

為進(jìn)一步查明該排氣歧管的斷裂原因，對(duì)該排氣歧管進(jìn)行了人工剖切，剖切結(jié)果如圖3所示。由圖3a)可知，該排氣歧管經(jīng)人工剖切后，斷口裂紋處無(wú)塑性變形，表明斷裂模式為脆性斷裂；該斷口表面顏色發(fā)黑，是因?yàn)樵摂嗫谠谠囼?yàn)中曾受到高溫作用；管壁右半邊兩側(cè)整齊的銀白色區(qū)域?yàn)槿斯て是袛嗫?。為適應(yīng)接下來的掃描電鏡微觀分析，對(duì)該排氣歧管斷口進(jìn)行進(jìn)一步剖切，該斷口在磁粉探傷測(cè)試儀下的形貌如圖3b)所示。其中熒光粉顯示的邊界，即為該排氣歧管最初始的斷口邊界，與圖3a)中的斷口發(fā)黑形貌一致。

圖3 斷裂排氣歧管斷口剖切后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of fractured exhaust manifold after cutting: a) macro morphology after cutting; b) macro morphology of fracture

1.2 掃描電鏡分析

對(duì)經(jīng)多次酒精超聲清洗后的排氣歧管斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，分析位置如圖4a)所示，結(jié)果如圖4b)～f)所示。

圖4b)中斷口形貌以曲線為界限，有明顯區(qū)別。線以下部分的斷口形貌與圖4c)中右下箭頭指示位置的一致，為韌窩+石墨球，是球墨鑄鐵材料中典型的韌性斷裂特征；線以上部分的斷口形貌，與圖4c)中左上箭頭指示位置的一致，表現(xiàn)為解理形貌，是球墨鑄鐵材料中典型的脆性斷裂特征；而在圖4b)中發(fā)現(xiàn)由外向內(nèi)的擴(kuò)展裂紋，裂紋擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示。

圖4d)中的斷口形貌與圖4c)中左上箭頭指示位置的一致，表現(xiàn)為解理形貌；加強(qiáng)筋斷口的擴(kuò)展方向如圖4d)中較短的3條箭頭所示，存在3條擴(kuò)展裂紋，裂紋的擴(kuò)展方向與圖中較長(zhǎng)的3條箭頭指示方向保持一致；裂紋擴(kuò)展深度，與圖中實(shí)線圈出位置保持一致。

圖4e)為靠近排氣歧管管壁的斷口，該處的斷口晶粒界面條紋較模糊，表明斷口存在氧化現(xiàn)象；在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)未被氧化的斷口形貌呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理形貌[圖4e)插圖]，表明該斷口為脆性斷裂；該斷口處發(fā)現(xiàn)3條擴(kuò)展裂紋，位置如圖中較短的3條箭頭所示;裂紋靠近排氣歧管內(nèi)壁一側(cè)棱角更為分明，表明擴(kuò)展方向由排氣歧管內(nèi)壁向外擴(kuò)展，與圖中較長(zhǎng)的3條箭頭指示方向保持一致；另外，發(fā)現(xiàn)兩處鑄造缺陷，分別如圖中圈出位置1，2所示,位置1的孔洞形狀不規(guī)則，表面粗糙，直徑約為200 μm，為縮孔缺陷，其附近未發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展痕跡；位置2表現(xiàn)為表面光滑的枝晶聚集形貌，為群狀分布的針孔缺陷,該兩處鑄造缺陷距離排氣歧管通道較近，雖不是斷口形成的主要因素，但對(duì)斷口存在一定影響。

圖4 斷裂排氣歧管斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of fractured exhaust manifold: a) analysis positions; b) position 1; c) position 2; d) position 3; e) position 4; f) position 5

圖4f)為排氣歧管斷口擴(kuò)展區(qū)域的形貌，表現(xiàn)為河流花樣的解理形貌[4-6]。

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂排氣歧管進(jìn)行了白口制樣[7]，并采用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可知該排氣歧管中硅元素含量超過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定的上限值，其他各化學(xué)元素含量均滿足該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)GhSiMoRct球墨鑄鐵的要求。

表1 斷裂排氣歧管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured exhaust manifold (mass fraction) %

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)斷裂排氣歧管取樣并測(cè)試斷口附近外表面的硬度。布氏硬度測(cè)試結(jié)果為237 HBW，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排氣歧管硬度200～240 HBW的技術(shù)要求[9-10]。

1.5 金相檢驗(yàn)

在斷裂排氣歧管斷口附近取縱載面試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，浸蝕前后的形貌如圖5所示。依據(jù)GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》的技術(shù)要求對(duì)該排氣歧管的顯微組織進(jìn)行觀察并評(píng)級(jí)，結(jié)果表明基體顯微組織為鐵素體，珠光體含量占9%(面積百分比,下同)，分散碳化物含量約為2%；石墨球大小及分布均較均勻，球化級(jí)別為2級(jí)，石墨大小級(jí)別為6級(jí)。為保證排氣歧管在高溫工作環(huán)境中，仍能保持較高的強(qiáng)度水平，且保證幾何尺寸不受到影響，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求材料基體的顯微組織為鐵素體，珠光體含量不大于10%，允許少量的碳化物存在，但含量應(yīng)不大于5%；球化級(jí)別要求為1～2級(jí)，石墨大小為5～7級(jí)。可見該排氣歧管的顯微組織滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 斷裂排氣歧管石墨及顯微組織形貌Fig.5 Morphology of a) graphite and b) microstructure of fractured exhaust manifold

2 分析與討論

由化學(xué)成分分析可知，該零件的化學(xué)成分中硅元素含量偏高，超過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其他化學(xué)元素滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；斷口附近外表面的布氏硬度測(cè)試結(jié)果為237 HBW，滿足零件的設(shè)計(jì)要求；依據(jù)GB/T 9441—2009對(duì)斷裂排氣歧管的顯微組織進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明基體顯微組織為鐵素體，珠光體含量占9%，分散碳化物含量約為2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。石墨球大小及分布均較均勻，球化級(jí)別為2級(jí)，石墨大小為6級(jí)，同樣滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

結(jié)合顯微組織形貌分析結(jié)果，判斷該零件的失效過程包括以下3個(gè)步驟。

(1) 該零件在澆鑄成型過程中，由于硅含量相對(duì)較高，形成硅脆；在液態(tài)金屬冷卻過程中，鑄件基體內(nèi)部的流動(dòng)性變差，導(dǎo)致基體內(nèi)部產(chǎn)生少量的縮松及針孔等鑄造缺陷。

(2) 在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)于缺陷處產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展，直至圖4d)中的實(shí)線圈出位置，導(dǎo)致零件強(qiáng)度大幅度降低。

(3) 熱沖擊試驗(yàn)過程中，在反復(fù)高溫沖刷的工況下，零件最終因強(qiáng)度不足發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)論及建議

排氣歧管組織中存在鑄造缺陷，在外力作用下于缺陷處產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致零件強(qiáng)度大幅度降低，最終排氣歧管發(fā)生斷裂。

建議降低合金中硅元素的含量，并充分干燥鑄造用型砂，避免存在水分，影響鑄件質(zhì)量；產(chǎn)品線增加磁粉探傷檢驗(yàn)裝置，對(duì)下線產(chǎn)品進(jìn)行100%檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)下線產(chǎn)品存在表面缺陷，及時(shí)報(bào)廢處理。