圖 1 斷裂排氣閥宏觀形貌
分享：船用發(fā)動機Z40CSD10鋼排氣閥斷裂原因
某船用發(fā)動機排氣閥的材料為Z40CSD10鋼。該排氣閥所在主機運行18 000 h后出現排氣閥斷裂故障(見圖1)。柴油機排氣閥是控制廢氣排放的核心部件，柴油機在運行時，氣缸內的燃氣溫度較高，排氣閥出口溫度最高可達1 000 ℃，燃油高溫燃燒，揮發(fā)物質中會存在一定含量的腐蝕性介質硫元素。排氣閥關閉時，受到氣閥彈簧的壓力作用，其與閥殼處的錐面緊密貼合，起到對排氣通道的密封作用，氣閥承受燃氣壓力給予的靜載荷；排氣閥開啟時，閥盤承受高溫燃氣的沖蝕作用，同時在其落座過程中承受與閥殼的沖擊載荷。筆者采用一系列理化檢驗方法對該排氣閥斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對斷裂排氣閥斷口處進行宏觀觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：閥盤和靠近閥盤的閥桿顏色呈黑色，表面較為粗糙，初步判斷是受高溫煙氣的影響造成的氧化腐蝕；斷裂位于閥盤一側，斷口上可見清晰貝殼紋，斷口呈灰褐色，根據貝殼紋收斂方向可知斷裂源區(qū)為閥盤表面，對比圖紙可知該位置為非堆焊區(qū)域；裂紋由裂紋源區(qū)向3個方向擴展，其中兩個擴展方向如圖2虛線所示，第3個方向為未打開的裂紋。
圖 2 斷裂排氣閥斷口處宏觀形貌
1.2 化學成分分析
采用紅外碳硫儀和直讀光譜儀對斷裂排氣閥進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂排氣閥的化學成分符合排氣閥圖紙對Z40CSD10鋼的技術要求。
Table 1. 斷裂排氣閥的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | |
| 實測值 | 0.37 | 2.27 | 0.39 | 0.020 | 0.002 | 9.79 | 0.86 |
| 技術要求 | 0.35~0.45 | 1.5~2.5 | ≤0.80 | ≤0.040 | ≤0.030 | 9.5~11.5 | 0.70~1.30 |
1.3 力學性能測試
從排氣閥閥桿上截取試樣，依據GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》分別對試樣進行拉伸試驗和桿端部硬化層硬度測試，結果如表2所示。由圖2可知：排氣閥閥桿拉伸性能和桿端部硬化層硬度均符合圖紙技術要求。
Table 2. 斷裂排氣閥力學性能測試結果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% | 硬度/HV1 |
|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 970 | 768 | 19.0 | 640 |
| 技術要求 | 900~1 050 | ≥700 | ≥14.0 | 514~697 |
1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
將排氣閥斷口試樣清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：斷口處可見清晰貝殼紋線，放大觀察可見氧化覆蓋層，無法顯示原始斷裂面的細節(jié)特征。
圖 3 斷口SEM形貌
對斷裂源區(qū)表面進行觀察，也可見氧化覆蓋層（見圖4）。對斷口氧化覆蓋層進行能譜分析，分析位置如圖3（d）所示，分析結果如圖5所示。由圖5可知：斷口上除了因高溫氧化腐蝕存在的O元素外，腐蝕性介質S元素含量也較高。
圖 4 斷裂源區(qū)表面SEM形貌
圖 5 斷口覆蓋物能譜分析結果
截取排氣閥斷口剖面試樣，將其鑲嵌、磨拋后置于掃描電鏡下觀察，結果如圖6所示。由圖6可知：閥盤表面存在腐蝕坑，氧化物覆蓋在閥盤表面和腐蝕坑上，斷口處也可見氧化物覆蓋。對腐蝕坑中的腐蝕產物進行能譜分析，分析位置如圖6所示，分析結果如圖7所示，可見腐蝕產物中腐蝕性介質S、Cl元素含量較高。
圖 6 剖面試樣SEM形貌
圖 7 腐蝕坑中腐蝕產物的能譜分析結果
1.5 金相檢驗
截取桿端部縱向剖面試樣，將試樣進行鑲嵌、磨拋、腐蝕處理后置于光學顯微鏡下觀察，桿端部淬硬層深度為3.9 mm，符合圖紙要求（>1.5 mm）[見圖8（a）]。截取排氣閥堆焊層縱向試樣，將試樣進行鑲嵌、磨拋、腐蝕處理后置于光學顯微鏡下觀察，可見堆焊層與基體結合良好，未見焊接缺陷，熱影響區(qū)晶粒度為6級，符合圖紙要求（細于4級）[見圖8（b）和8（c）]。截取閥盤縱向剖面試樣，將試樣進行鑲嵌、磨拋、腐蝕處理后置于光學顯微鏡下觀察，可見閥盤基體組織為回火索氏體[見圖8（d）]。
圖 8 斷裂排氣閥的微觀形貌
2. 綜合分析
斷裂排氣閥的化學成分、力學性能、桿端部淬硬層深度和硬度、堆焊層焊接質量等均符合圖紙技術要求。排氣閥斷口上可見清晰貝殼紋，呈典型疲勞斷裂特征，斷口呈灰褐色，根據貝殼紋收斂方向可知，斷裂源區(qū)為閥盤表面，斷口處和斷裂源區(qū)表面可見氧化物覆蓋。閥盤表面存在腐蝕坑，氧化物覆蓋于表面和凹坑上，斷裂面上氧化覆蓋物中除了含有因高溫氧化腐蝕而存在的O元素外，還含有較多的腐蝕性S、Cl元素。氣閥作為柴油機燃燒室的重要組成零件，工作時直接受到高溫、高壓燃氣的作用，承受較大的熱載荷和機械載荷作用。在增壓柴油機上，排氣閥閥盤的溫度可達650~800 ℃[1]。排氣閥失效原因主要有：表面加工裂紋[2]、原材料成分不合格[3]、潤滑不良[4]、焊接不良[5]、高溫氧化腐蝕等。該斷裂排氣閥工作運行了18 000 h，其長時間直接與高溫煙氣接觸，材料表面發(fā)生了高溫氧化腐蝕，且煙氣中含有較高含量的腐蝕性S、Cl元素，加速了表面腐蝕坑的形成。氣閥在關閉時，閥盤與閥座不斷相互撞擊，存在較大的循環(huán)機械沖擊載荷，當表面腐蝕坑形成后，腐蝕坑處存在應力集中，萌生了疲勞裂紋[6]，在循環(huán)沖擊載荷的作用下，裂紋疲勞擴展，最終導致排氣閥斷裂。
3. 結論
斷裂排氣閥因長時間接觸高溫煙氣，其表面發(fā)生高溫氧化腐蝕，且煙氣中含有較高含量的腐蝕性S、Cl元素，加速了腐蝕坑的形成，腐蝕坑處存在應力集中，在交變應力的作用下，腐蝕坑處萌生了微裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致排氣閥發(fā)生疲勞斷裂。
文章來源——材料與測試網
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