发动机气门失效分析

发动机气门失效分析
孔伟
【摘要】某发动机气门发生断裂失效,通过对失效气门杆端面和与其接触的摇臂进行宏观分析、扫描电镜分析、能谱分析、金相检验及硬度测试,找出了发动机气门失效的原因。

结果表明：由于摇臂油孔存在制造偏差,导致气门杆端面与摇臂摩擦副之间润滑不良,从而造成该摩擦副之间发生了严重的磨粒磨损,使得气门杆端面与摇臂之间的间隙增大,过大的气门间隙又会导致气门锥面的落座力增大,造成气门颈部应力集中,并且萌生裂纹,裂纹不断扩展,最终造成气门断裂失效。

%Some engine valve fractured and the failure reason was analyzed by macro observation,scanning electron microscope analysis,energy spectrum analysis,metallographic examination and hardness test to the valve and rocker arm contacted with the valve.The results show that the manufacture deviation existing in oilhole of the rocker arm resulted in the bad lubrication between the friction pairs of valve and the rocker arm,and made them produced serious abrasive wear.Wear increased the gap between the friction pairs gradually,and then increased the seated force,which induced the stress concentration at the valve neck and production of cracks.The cracks gradually extended and finally resulted in the fracture of the valve.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2011(047)008
【总页数】4页(P508-510,513)
【关键词】气门;失效分析;摩擦副;磨粒磨损;润滑不良
【作者】孔伟
【作者单位】怀集登云汽配股份公司,怀集526400
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
气门是内燃机中用于控制燃烧气体进出的重要零件,其结构如图1所示,主要由盘部和杆部两部分组成[1]。

气门在内燃机中的安装位置如图2所示,其工作时的摩擦副主要有气门锥面与座圈、气门杆部与导管以及气门杆端面与摇臂。

其中,气门杆端面与摇臂之间通过喷油润滑以减少摩擦,摇臂上有压力油孔,压力油可直接喷向此摩擦副之间[2]。

某厂一发动机于2010年4月发生气门断裂失效事故,导致发动机严重损坏。

失效气门材料为SU H11钢,摇臂材料为铝合金,与气门杆端面接触的摇臂镶块材料为粉沫冶金。

为查明气门断裂失效原因,避免类似事故的再发生,笔者对其进行了检验和分析。

图3为失效气门和正常气门杆端部的宏观形貌,通过比较可见失效气门的杆端磨损严重,快磨到锁夹槽位置。

图4为失效气门杆端面的磨损形貌,可见磨损面较粗糙。

图5为摇臂镶块的磨损形貌,可见与气门杆端面相接触的位置已经磨出一个较深的圆坑,圆坑内有点状金属脱落后形成的小麻坑。

对气门杆端面和摇臂组成摩擦副的磨损面用扫描电镜(SEM)进行观察。

图6是杆端面磨损面的SEM低倍形貌,可见磨损中心区域相对光滑平整,而边缘区域则含有较多的颗粒,整个磨损面存在较多的磨损条纹。

图7是杆端面磨损中心区域的SEM放大形貌,犁沟磨痕清晰可见,磨痕上还分布着较多的白色颗粒,呈典型的磨粒磨损形貌。

图8为摇臂镶块磨损面的SEM形貌,可见磨损面上存在局部疏松崩落和孔洞,整个
面上的摩擦磨痕清晰可见,即将崩落的颗粒棱角分明,具有碳化物颗粒材料特征,以沿晶方式脱落。

说明已有不少摇臂材料中的颗粒转移至磨损面上,对磨损面产生磨粒
磨损。

对图7中杆端面磨损面上的白色颗粒进行能谱(EDS)分析。

由图9可见,白色颗粒的铌含量高达73.9％。

图10是摇臂镶块磨损面的 EDS谱,可见摇臂镶块材料中含有较多的铌和铬,是一种高铌高铬钢,进一步证实图7中的白色颗粒是摇臂镶块中以碳化物形式存在的碳化铌。

另摇臂镶块材料的碳含量也较高,铌和铬是强碳化物形成
元素,在钢中通常以碳化物形式存在。

脱落的颗粒随着磨损过程周期发展,越来越多
的碳化铌磨粒被推向磨损面边缘,形成气门杆端面磨损面边缘观察到到的白色颗粒。

在气门杆端位置取样进行金相检验,光学显微镜下观察其显微组织为回火马氏体,晶
粒度为7.5级,显微组织正常,见图11。

在摇臂镶块上取样进行金相检验,其显微组织为回火马氏体+较多的碳化物+少量残余奥氏体,为正常显微组织,见图12。

分别在气门杆端位置和摇臂镶块上取样进行硬度测试,结果分别为58和57HRC,均满足55～62HRC的技术要求,故两者硬度均合格。

由以上理化检验结果可知,气门杆端面与摇臂摩擦副之间存在着严重的磨粒磨损,磨
粒主要来自于摇臂镶块材料中的碳化铌和碳化铬等金属化合物。

摇臂与气门杆端面的摩擦副之间采用了性能相差较大的异种材料,减少了产生粘着
磨损的可能性,降低了其间的摩擦系数;该摩擦副之间采用喷油润滑,压力油从摇臂上的油孔喷向摇臂与气门杆端面之间的摩擦副。

失效气门杆端面与摇臂摩擦副之间存在着严重的磨粒磨损,而造成这种现象的原因是润滑不充分(缺油)[2]。

进一步检测
摇臂油孔,发现油孔角度存在偏差,使压力油不能喷射到气门杆端面处,杆端处在无润滑或润滑不良状态。

从以上分析可知,由于摇臂润滑油孔存在制造偏差,引起气门杆端面与摇臂摩擦副之间无润滑或润滑不良,从而造成此摩擦副之间发生了严重的磨粒磨损。

气门摩擦副之间的严重磨损导致气门杆端面与摇臂之间的间隙增大,过大的气门间隙又会导致气门锥面的落座力增大,造成气门颈部应力集中,并且萌生裂纹,裂纹逐渐扩展,最终造成气门断裂失效。

因此,良好的润滑是保证气门正常工作的关键。

造成该发动机气门失效的主要原因是气门杆端面和摇臂摩擦副之间无润滑或润滑不良,造成此摩擦副之间发生了严重的磨粒磨损,进而引起气门于应力集中严重的部位发生断裂失效;而引起气门摩擦副之间无润滑或润滑不良的原因是摇臂油孔存在制造偏差。

【相关文献】
[1] 万欣,林大渊.内燃机设计[M].天津:天津大学出版社,2003:282.
[2] WANG Yu-shu.Introductiontoenginevalvetrains[M].USA:SAE International Warrendale,2006:130-133.。