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汽车发动机高压油管常见失效形式分析

简要描述:

占比重也已经连年进入汽车发动机零部件失效数量的前十位,并有不断增加的趋势。发动机高压油管是连接喷油泵与喷油器的重要零部件,承担着给发动机输送高压燃油的任务。发动机高压油管一旦出现开裂,引起漏油,不仅对发动机整机可靠性产生不利影响,而且,高压燃油喷射泄露后,极有可能与发动机高温部件接触,导致严重的火灾事故。因此,对目前市场上高压油管的各类失效形式进行分析与总结,具有迫切的现实意义。高压油管原材料内表...

占比重也已经连年进入汽车发动机零部件失效数量的前十位,并有不断增加的趋势。

发动机高压油管是连接喷油泵与喷油器的重要零部件,承担着给发动机输送高压燃油的任务。发动机高压油管一旦出现开裂,引起漏油,不仅对发动机整机可靠性产生不利影响,而且,高压燃油喷射泄露后,极有可能与发动机高温部件接触,导致严重的火灾事故。

因此,对目前市场上高压油管的各类失效形式进行分析与总结,具有迫切的现实意义。

高压油管原材料内表面缺陷

高压油管制造过程中,其内表面经历了复杂的拉拔变形过程,这一过程中不可避免地会形成各种程度上的内壁缺陷,其中最主要的是内壁裂纹缺陷。

 

目前,国际上对高压油管内壁质量的控制标准是ISO 8535-1:2011《柴油发动机 高压燃油喷射管用钢管 第1部分:无缝冷拔单壁钢管的要求》,其中对内壁裂纹缺陷的分级标准见表1。

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对于缺陷等级,一般企业都会根据高压油管的工作条件,在其企业标准中有明确的规定。目前,国内普通汽车发动机高压油管控制的缺陷等级多采用Q级及以上。内壁强化工艺是目前普遍采用的高压油管内表面处理方法。该方法是通过优化管材表面应力的分布,产生内压外拉的应力状态,可有效减缓裂纹扩展速度,不仅能够提高燃油管的耐压能力,同时可以减少疲劳试验中的数据分散性。

内壁裂纹会导致高压油管疲劳裂纹由此起源,严重降低高压油管疲劳寿命,这种情况也是大部分高压油管疲劳失效漏油的原因。

如图1a所示,某型发动机在用户使用过程中发生漏油。该高压油管材料为PP600钢(德国标准,相当于国标20钢),规格为Ф8mm×Ф3.5mm,硬度要求为260-290HV。表面质量要求为Q级(参考标准JB/T 8120.1-2000)。

在油管漏油位置的外表面可见一条纵向裂纹,标记后将油管对剖,内表面的裂纹更明显,内表面肉眼可见的裂纹约3cm长。打开裂纹,观察断面形貌,油管的断面有一个明显的弧形区域,灰黑色,平坦细致,有疲劳断裂的宏观特征,在断面与油管内表面交界处有一条隐约可见的线状痕迹,见图1b。

将断口清洗后在扫面电镜下观察断面的微观形貌,在宏观观察中看到线状痕迹所对应的断面位置上看到一条宽约0.2mm的带状痕迹,这个区域的微观形貌与断口其它区域不同,并有明显的分界线,见图1c。此处的微观痕迹有较多覆盖的腐蚀产物,除此以外的断口其他区域有明显的疲劳辉纹特征,见图1d。后打开的断面如图1e所示,为韧窝特征。在带状区域内的微区成分分析显示,表面有Zn等元素,据此判断这个条带是在油管成形工艺中已经产生的原始裂纹,这是造成油管疲劳开裂直接原因。

 

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(a)失效的高压油管

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(b)内壁裂纹源区原始裂纹

 

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(e)最后断裂区

图1. 高压油管纵向裂纹及其微观特征

 

在裂纹附近取油管的周向试样,观察油管的金相组织及内表面质量。油管基体组织为铁素体+珠光体;在油管内表面裂纹对应位置观察到的裂纹形态见图2,此裂纹由两部分组成,内壁侧的初始裂纹开口较宽,后扩展的疲劳裂纹在初始裂纹的尾端萌生并扩展,其中初始裂纹深度约0.20mm,与电镜下观察到的信息吻合。

 

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2. 油管的金相组织及内表面裂纹

 

图2可以明显看到,原始裂纹尾部金相组织流线有明显的折叠形态,说明它是在油管内壁成形过程中形成的,且其缺陷级别远大于Q级要求,这是造成高压油管疲劳开裂导致漏油的根本原因。

镦头和杆部过渡处的加工质量不良

高压油管镦头加工工艺过程复杂,变形量大,其内外表面金属都经历强烈的变形流动,如若工艺不当,都可能出现金属流线曲折甚至出现冷折叠缺陷。如图3是对某一高压油管镦头内外表面金相检查发现的冷折叠形态。

镦头处的各种工艺缺陷,在使用过程中,将会成为疲劳裂纹的起源,导致油管开裂漏油,因此,各企业都会在其内部标准中对此缺陷形态加以控制,主要是对镦头冷折叠裂纹的深度加以控制。

 

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(a)内表面冷折叠

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(b)外表面冷折叠

图3. 镦头内外表面冷折叠缺陷形态

 

某型发动机进行制动试验,进行至31小时后,发现高压油管漏油因而停止试验。高压油管材料牌号为ST52.4(德国牌号),管件规格为Φ6.4mm×2.2mm。高压油管和两端镦头外观如图4a。将高压油管两端镦头部位取下,用线切割对剖,可见镦头与杆部圆角过渡处存在一条长约9mm的裂纹,如图4b。打开裂纹,可见断口为浅灰色,较平坦,断口从高压油管表面起源,向内壁扩展,并且已向内表面裂穿,如图4c。

 

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(a) 失效的高压油管

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(b)开裂部位

 

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(c)断口形貌

图4. 失效的高压油管及其裂纹特征

 

扫描电镜下观察,断口源区表面低倍形貌如图5a所示,断口源区可见较多的疲劳台阶,说明断口为周向起源的疲劳开裂,如图5b。断口的疲劳特征如图5c 所示。在电镜下观察镦头断口附近表面形貌,此处为镦头与杆部过渡处,可见在此处存在较多金属挤压变形流动的痕迹,并且形成了微裂纹,这些微裂纹应为加工过程中形成的,如图5d。高压油管镦头与杆部过渡处是受力较大的部位,此处形成的加工微裂纹大大增加了发生疲劳开裂的危险。

 

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(a)断口低倍

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(b)疲劳源区

 

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(c)疲劳扩展区

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(d)表面微裂纹

图5. 断口微观特征

 

高压油管两端镦头的金相组织如图6,均为铁素体+珠光体。金相组织可见,镦头出存在明显的冷折叠缺陷,这是导致疲劳裂纹起源的直接原因。

 

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(a) 镦头冷折叠缺陷

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(b)镦头冷折叠缺陷

图6. 镦头的金相组织与缺陷形态

 

高压油管外壁“夹杂物”缺陷

 

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(a)失效的油管

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(b)断口形貌

图7. 开裂漏油的高压油管及打开后的裂纹面

 

目前,国内高压油管管材几乎都是进口,而目前相关的ISO标准和国标中,都没有对管外壁微观质量进行明确的规定。近年来,多次出现了疲劳裂纹由油管外表面类似夹杂物缺陷处起源,导致油管开裂漏油的案例。甚至,还多次发生过因为这种外表面类似夹杂物缺陷导致在油管镦包加工过程中导致开裂的现象。而对于这种外表面类似夹杂物的缺陷,到目前为止,还没有发现相关的研究。下面通过具体案例对此介绍。

某型试验车在进行寒区试验过程中发现高压油管漏油,经检查发动机一缸高压油管油轨端缸体内侧油管折弯处漏柴油,车辆行驶总里程46000公里。失效的油管见图7a,其中黑色箭头所指为发现漏油部位。将裂纹打开,如图7b所示,可见裂纹面平坦,开裂部位已经管体裂穿。

扫描电镜下裂纹源区如图8a所示,可见裂纹起源在震动应力最大部位,但局部为一线源,源区存在多个疲劳台阶。图8b是源区局部放大,可见裂纹源区的每一台阶内,疲劳裂纹各自独立萌生、扩展最后汇合成为一线源。图8c为疲劳扩展区断口形貌。

 

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(a)裂纹源区

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(b)源区局部放大

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(c)疲劳扩展区

图8. 疲劳裂纹源区与扩展区断口形貌

 

观察断口侧面,如图9所示,可见管外壁分布有不规则的龟裂状裂纹,其中疲劳台阶与这种微裂纹有明显的对应关系,可见裂纹起源与此有关。

 

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图9. 断口侧面微裂纹形态

 

观察油管截面金相组织,如图10所示,基体金相组织为铁素体+珠光体。油管表面存在一层约20um的脱碳层,脱碳层中分布有灰色类似夹杂物形态的物质。

 

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① Wood Lamp Design

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② Wood Lamp Design

 

图10. 油管金相组织及表面类似夹杂物形态

 

图11是扫描电镜下上述类似夹杂物形态物质的形貌。可见这些都分布在表面层,多数贯通到最外层,且割裂基体并导致基体在变形时产生裂纹,这与图9的龟裂裂纹相对应。如图11c是基体组织的X-射线能谱分析结果,与之对应,如图11d中白色箭头所指,是对这一灰色物质进行X-射线能谱分析的结果。可见,油管基体成分为Fe、Mn(Zn、P为表面镀锌层影响导致),而灰色物质相成分非常复杂,除了基体成分以外,还有:Si、V、Cr等元素。

 

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(c)类夹杂物X-射线能谱分析结果

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(d)基体X-射线能谱分析结果

图11. 灰色类夹杂物相的扫描电镜与能谱分析

 

根据上述结果推测,分布于油管表层的这层物质,可能来源与管材成形过程中,模具表面氧化皮脱落然后被压入油管表面,再在后期变形过程中被挤入、碾碎、压裂,分布于管壁外表面。由于目前国内并没有高压油管的加工线,其它类似的管材加工过程也未见类似报道,因此,对上述类似夹杂物物质的来源的推测是否正确,目前还无法验证。

根据上述分析,高压油管表面的类似夹杂物缺陷是导致其疲劳开裂的根本原因。

由于高压油管通常会在表面有一层镀锌层,从外观无法检查此类缺陷,且现有的国家标准无法对这类缺陷进行检验、预防。有鉴于此,对油管外表面质量的控制非常必要,目前,相关企业标准的制订正在进行中。