某型柴油机主轴承盖螺柱断裂分析及其制造工艺改进.pdf

第 4 期2023 年 8 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.4Aug.2023某型柴油机主轴承盖螺柱断裂分析及其制造工艺改进程德彬1,薛记恩2,郝 波2,郝 敬2(1.海军驻洛阳地区军事代表室,河南 洛阳,471039;2.河南柴油机重工有限责任公司,河南 洛阳,471039)摘要:通过对某型柴油机氢脆断裂的主轴承盖螺柱进行理化分析和断口形貌观察后发现,在热处理过程中存在脱碳现象,这影响了螺柱调质后硬度检测的准确性,使螺柱实际硬度和抗拉强度超高,降低了螺柱发生氢脆断裂所需的氢含量门槛值。而在螺柱长期服役过程中,氢离子聚集,从而导致氢脆断裂的发生。通过对工艺过程的分析,制定了一系列工艺改进措施,包括防止应力集中、避免热处理过程脱碳、提高硬度检测的精度、控制硬度和抗拉强度的范围,以及降低生产过程中吸氢风险等措施。关键词:柴油机;螺柱;氢脆;断裂;工艺改进中图分类号:TK427 文章编号:1000-6494(2023)04-0044-05收稿日期:2023 年 5 月 10 日作者简介:程德彬(1979-),男,工程师,主要研究方向为舰船动力,E-mail:58382097 。Fracture Analysisand Manufacturing Process Improvement of Main Bearing Cover Stud of a Diesel EngineCHENG Debin1,XUE Jien2,HAO Bo2,HAO Jing2(1.Military Representative Office of Navy,Luoyang 471039,China;2.Henan Diesel Engine Heavy Industry Co.,Ltd.,Luoyang 471039,China)Abstract:Through the physicochemical analysis and fracture surface observation of a certain type of diesel engines hydrogen embrittle-ment of the main bearing cap bolt,it was found that decarburization occurred during the heat treatment process,affecting the accuracy of hardness testing after quenching of the bolt.This led to an excessively high actual hardness and tensile strength of the bolt,lowering the threshold value of hydrogen content required for hydrogen embrittlement.During the long-term service of the bolt,hydrogen ions accumulated,resulting in hydrogen embrittlement.To address this issue,a series of process improvement measures were developed through process analysis,including preventing stress concentration,avoiding decarburization in the heat treatment process,enhancing hardness testing accuracy,controlling the range of hardness and tensile strength,and reducing hydrogen absorption risk during produc-tion processes.Key words:diesel engine;stud;hydrogen embrittlement;fracture;process improvementDOI:10.20082/ki.nrj.2023.04.0070 前言高强度螺栓类零件为柴油机的关键件。在其服役过程中,氢脆断裂常常成为一个较为常见的失效模式1。引起螺栓氢脆断裂的影响因素有氢含量、应力、机械性能、使用温度以及材料等2。众多研究表明,金属中的氢会由低应力区域向高应力区域聚集,导致高应力区域发生氢脆断裂3-4。就氢含量来说,一般认为当合金钢中氢的质量浓度超过1mg/L(即氢含量为 110-6时),可能发生氢脆断第 4 期程德彬,等:某型柴油机主轴承盖螺柱断裂分析及其制造工艺改进45 裂 5-6。当含氢量小于 110-6时,造成螺栓断裂的几率较小2。在机械性能方面,抗拉强度对氢脆具有重要影响。强度越高,内应力也越大,从而使得氢脆的敏感性增强。特别是对于抗拉强度大于 1000Mpa 的高强度钢,其氢脆敏感性或氢致滞后断裂敏感性会随着抗拉强度的升高而增加。氢致滞后开裂门槛应力或氢致滞后断裂门槛应力强度因子均随强度的增加而急剧下降6。高强度螺栓的氢脆是一个非常复杂的物理、化学变化过程,目前仍没有一个比较明确的公式或者理论来证明氢脆与螺栓强度、螺栓中的氢含量、组织状态、螺栓服役时间等因素的量化关系。本文以一例材料为 40CrNiMo,机械强度为 12.9级的螺柱为例进行了断裂原因分析,并制定了相应的工艺改进措施。1 故障现象某 V 型多缸柴油机,其转速为 1500r/min,已应用运行时间为30085h。在近期检查中发现柴油机 B列第二档主轴承盖螺柱发生了断裂,其中一段带螺母的螺柱掉入油底壳。然而,安装在柴油机机体中的其余螺柱没有出现松动现象。经过拆检,发现该螺柱的安装孔、主轴承盖侧拉螺栓,以及其他档位的主轴承盖螺柱均没有发现异常。在柴油机运行过程中,控制箱显示的各项参数正常,没有出现报警信息。在故障现场,通过目测观察,发现掉入油底壳的部分螺柱和机体上剩余的螺柱,除了断口外,其余可见表面均没有明显损伤,具体情况如图 1 所示。(a)掉入油底壳部分(b)机体上剩余部分图 1 断裂螺柱2 故障件分析2.1 宏观分析从宏观观察来看,螺柱断裂位置距离右端约130mm 处,断口垂直于纵轴线,呈现黑灰色,并且没有明显的塑性变形现象。裂纹源位于螺柱的表面,裂纹扩展的起始区域呈现一个平坦的扇形区域,之后呈放射状扩展,表面相对较粗糙,最后呈现斜 45扩展的剪切唇区。断口上有轻微的摩擦损伤现象。裂纹源处螺柱外圆表面及对侧呈现光亮的金属色,这是由拆卸工具对故障螺柱外圆造成的机械损伤痕迹。具体情况如图 2、图 3 所示。图 2 螺柱外观形貌 图 3 断口宏观形貌2.2 断口微观形貌分析裂纹源区呈现沿晶特征,晶面较为粗糙,如图 4所示。在宏观观察下,较平坦的扇形区域内呈现沿晶特征,在放大后的观察中,可以看到鸡爪纹特征,如图 5 所示。在扩展区中期,呈现沿晶和韧窝的混合断口特征,而在扩展后期,呈现韧窝特征,如图 6所示。剪切唇呈现细小的韧窝特征,如图 7 所示。图 4 裂纹源区沿晶特征46 内燃机2023 年 8 月图 5 扩展区沿晶鸡爪纹特征图 6 扩展区韧窝特征图 7 剪切唇韧窝特征2.3 化学成分分析采用 IPC 等离子体发射光谱仪对螺柱进行了化学成分分析,结果表明螺柱材料的化学成分符合GB/T3077-2015合金结构钢的要求,具体成分如表 1 所示。同时,氢含量检测结果显示螺柱中的氢含量小于 0.0001%。值得注意的是,离断口较近的区域氢含量较高,而离断口较远的区域氢含量较低,数据见表 2。表 1 螺栓材料化学成分检测结果(Wt%)元素CSiMnSPCrNiMo要求0.370.440.170.370.500.800.0350.0350.600.901.251.650.150.25检测值0.4010.2350.6080.00190.00430.7431.450.196表 2 螺柱不同部位氢含量检测结果(Wt%)检测位置靠近断口横向靠近断口纵向远离断口检测值0.0000590.0000620.00000952.4 机械性能试验采用 FRC-3E 洛氏硬度计对螺柱进行硬度检测,每件测三个点,取平均值,结果如表 3 所示。螺柱硬度设计要求为 39 44HRC,实际检测硬度为45.2HRC,硬度超出技术要求上限。表 3 螺柱硬度检测结果检测位置测点 1测点 2测点 3平均值要求值/HRC3944实测/HRC44.945.445.245.2采用 MTS E45.305-C 300KN 材料试验机对螺柱拉伸性能进行检测,结果见表 4。根据硬度技术要求范围,12.9 级螺柱对应的抗拉强度为 1220 1440MPa,实际抗拉强度为 1500MPa,超出技术要求上限。表 4 螺柱拉伸性能检测结果检测项目抗拉强度Rm/MPa屈服强度RP0.2/MPa伸长率A/%断面收缩率 Z/%技术要求值1220144011001044实测值1500140611.5532.5 金相分析根据 GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法,参照附录 A(规范性附录)A、B、C、D 和 DS 夹杂物的 ISO 评级图,进行评定夹杂物,结果如表 5 所示。表 5 夹杂物评定结果编号A粗系A细系B粗系B细系C粗系C细系D粗系D细系DS螺柱评定01.000000.51.50.5采用 OLYMPUS GX71 金相显微镜对螺柱金相组织进行了详细分析。在裂纹源附近并未发现大块夹杂、疏松等材料缺陷。在裂纹扩展前期,金相组织表现为凹凸不平,同时出现了二次裂纹,具体情况见图 8。而在裂纹扩展后期,金相组织相对平第 4 期程德彬,等:某型柴油机主轴承盖螺柱断裂分析及其制造工艺改进47 滑,没有观察到二次裂纹形貌,见图 9。侵蚀后进行观察,裂纹源区和扩展区的金相组织显示为回火索氏体,与其他区域及心部组织的金相组织相同。同时,在螺栓表面未发现脱碳现象,金相组织整体情况正常,如图 10 图 13 所示。此外,晶粒度评定结果为 9.5 级,晶粒呈细小状态,如图 14 所示。(a)沿昌区 100(b)沿晶区 400图 8 裂纹扩展区图 9 裂纹扩展区(韧窝区)100 图 10 螺柱表面裂纹区组织 100图 11 裂纹源组织 400图 12 裂纹扩展区组织100图 13 心部金相组织 500图 14 心部晶粒度 4002.6 分析结果螺柱的断口与纵向轴线垂直,裂纹源位于螺柱直杆部位的表面,呈现一个平坦的扇形小区域,并且沿晶开裂。裂纹初期扩展区表现为沿晶开裂特征,并伴有鸡爪纹特征。在裂纹源周围,并未发现48 内燃机2023 年 8 月大块夹杂、疏松等材料缺陷,并且未观察到氧化脱碳现象。在裂纹扩展区中期,断口特征为沿晶和韧窝的混合型断口特征,随后逐渐转变为韧窝特征。韧性开裂区域约占整个断口面积的 2/3。通过对断口的宏观和微观形貌分析,可以得知螺柱呈现氢脆开裂特征。螺柱的化学成分符合国家标准要求,夹杂物含量较少,金相组织正常,晶粒度细小,并未发现材料冶金缺陷和明显的加工缺陷。然而,螺柱硬度和强度超出了设计要求的上限,这使得螺柱对氢脆断裂更加敏感,同时也降低了氢脆断裂所需氢含量的门槛值。3 工艺改进根据断裂原因分析结果,从控制应力集中、硬度、抗拉强度和氢含量方面对螺柱调质工艺和磷化处理工艺进行改进。3.1 工艺流程简介备料粗车调质研磨两中心孔精车外圆、倒角磨外圆滚丝磁力探伤清洗磷化处理做标记检查。3.2 调质工艺改进热处理过程中,螺柱表面可能会产生脱碳层,导致硬度检测误判为合格,而实际硬度和抗拉强度已经超过了技术要求的上限。因此,采取了以下三项改进措施。(1)对热处理设备进行更换,将老旧的井式炉替换成多用途炉生产线,并利用数控程序控制整个热处理过程。在调质过程中,引入氮+甲醇气氛保护,以避免螺柱表面出现脱碳现象。(2)提高回火温度,使硬度和抗拉强度能够符合设计要求,并且尽量接近要求值的下限。(3)改变检测方法,将原先的洛氏硬度检测(3944HRC)改为布氏硬度检测(dB=3.0 3.2mm)。同时,更改了硬度检测的位置和清理层深度,以提高检测的准确性。3.3 磷化处理工艺改进为了进一步降低螺柱在生产过程中吸氢的风险,还采取了以下改进措施。(1)大幅缩短了酸洗时间,并且严格控制酸洗的次数,以减少螺柱在酸洗过程中吸氢的可能性;(2)增加了“磷化不合格的螺柱不允许返修”的控制要求,以确保磷化处理合格的螺柱质量,避免存在隐患的螺柱继续使用;(3)改进了磷化工艺流程,增加了清洗和表面调整工序,以提高磷化膜的致密性。改进前的磷化处理工艺流程为:除油清洗酸洗清洗磷化检查涂油。改进后的磷化处理工艺流程为:除油清洗酸洗清洗表面调整磷化清洗热水清洗吹干检查涂油。3.4 改进效果经过工艺改进后,最近 5 年出厂服役的 12.9 级高强度螺栓均未发生过氢脆故障。4 结论对导致柴油机主轴承盖螺柱氢脆断裂的主要原因进行了分析,通过对螺柱的化学成分、金相组织、硬度、抗拉强度等方面进行检测和研究,确定了硬度和抗拉强度超高导致螺柱氢脆敏感性增大,降低了发生氢脆所需氢含量和应力的临界值,是造成氢脆发生的主要原因。为了解决上述故障,采取了一系列改进措施。首先,针对螺柱热处理过程中脱碳引发的问题,更换了热处理设备,引入氮+甲醇气氛保护,并调整回火温度,确保硬度和抗拉强度符合设计要求。其次,针对磷化处理中存在的不合格螺柱,增加了严格的控制要求,同时优化了磷化工艺流程,增加了清洗和表面调整工序,以提高磷化膜的质量和致密性。通过这些改进措施的实施,螺柱的质量得到有效提升,氢脆断裂的风险降低,从而增强了螺柱的可靠性和耐久性。这对于生产和使用过程中的安全性和稳定性都起到了积极的推动作用,为相关行业提供了有价值的参考和借鉴。参考文献1 刘德林,胡小春,何玉怀等.从失效案例探讨钢制紧固件的氢脆问题J.材料工程,2011(10):78-83.2 张挺,赵峥,倪莉等.高强度螺栓氢脆问题研究J.全面腐蚀控制,2016,30(07):28-32.3孙小炎.螺栓氢脆问题研究J.航天标准化,2007(02):1-9.4 黄介之.柴油机喷油器喷嘴断裂的失效分析J.内燃机,2007(06):59-60.5 陈鹏程,马玉娥,彭帆等.基于相场法的氢脆断裂模拟J.西北工业大学学报,2022,40(03):504-511.6 丁有元,张维,李成涛等.40CrNiMoA 高强钢氢脆敏感性和氢含量的关系J.腐蚀与防护,2017,38(07):547-550.