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。
