4B28TC进气门破断失效分析
摘要 针对汽车进气门容易失效的问题，本文进行的金相组织分析和力学性能测试，结果表明，破断进气门盘锥面存在明显的机加工刀痕，以及进气门堆焊结合部存在游离铁素体组织，是降低进气门的承载强度的主要原因。
关键字 进气门；失效；金相组织
1 情况简介
汽车4B28TC进气门（后续简称进气门）采用整体40Cr10Si2Mo钢（GB/T23337-2009）制造。进气门采取的主要制作工艺流程是：下料→电镦→锻压成型→调质处理→取长→磨杆→锥面校正→粗车平面及外圆→ 锥面堆焊→去应力回火→粗磨锥面→精车平面及外圆→ 车焊边→杆端淬火→切锁夹槽→精磨杆→精磨锥面。
图1 进气门断件的外形结构图 图2 进气门断件断裂部位外形图
某单位的一件进气门安装在车用发动机中，进气门运行过程盘锥面出现大小不一的崩缺掉块现象（见图1）。按设计使用要求，进气门不允许发生这种破断情况。
2 检验内容和结果
2.1宏观检查
对破断盘锥面断裂面观察（见图2），在堆焊部位出现微小平台，且锥面多处出现台阶（见图2箭头所指），断口面呈现多条撕裂棱痕，断口附近没有缩颈现象，边缘无剪切唇，故宏观表现为脆性断口特征[1]。
2.2化学成分
对进气门进行化学成分分析，结果见表1。
表1 化学成分分析结果(%) (质量分数)
项目 测定值 标准≤0.60 0.70~0.90 0.35~0.45 1.90~2.60 ≤0.70 ≤0.035 ≤0.030 9.00~10.50 ≤0.30 Ni 0.20 Mo 0.70 C 0.44 Si 2.60 Mn 0.27 P 0.024 S 0.009 Cr 9.77 Cu 0.03
值 进气门的化学成分与GB/T23337-2009标准提供值比对，所检元素含量符合标准规定的40Cr10Si2Mo钢化学成分范围。
2.3金相检验
用破断进气门制备金相试样，试样先在未侵蚀情况下进行显微组织观察，试块中的夹杂物含量按GB/T
10561-2005标准评定夹杂物为：环状氧化类D1级、单颗粒球状类DS1，夹杂物级别较低（见图3、4）。
从断口纵截面试样可发现，盘锥面部位多处存在明显的机加工刀痕，最深处的刀痕深度约为0.05mm（见图3、4）。
图3 破断进气门堆焊部位盘锥面形貌100× 图4破断进气门非堆焊部位盘锥面形貌100×
经苦味盐酸酸酒精侵蚀，观察盘锥面堆焊结合部位的组织可发现，本体组织一侧以回火索氏体组织为主、并有部分游离铁素体（见图5、6）；而其余部位的本体组织仅为单一的回火索氏体组织（见图7），按JB/T6012.2-2008标准规定，基体组织中不允许有游离铁素体的存在；实测奥氏体晶粒度为6级，符合JB/T6012.2-2008标准的规定范围。
图5 破断进气门堆焊结合部位组织 400× 图6破断进气门堆焊结合部位组织400×
图7 破断进气门回火索氏体组织 400× 图8 进气门断口面微观组织形貌1000×
2.4断口微观检查
用扫描电镜对破断进气门断口进行观察，在机加工刀痕处主断面位置可见沿晶界分离形貌及二次裂缝（见图8），另可发现晶粒多面体外形沿晶断裂形貌（见图9）
图9进气门断口面微观组织形貌 95× 图10进气门断口面微观组织形貌1500×
这两处断口面都出现相互摩擦损伤的痕迹；在未损伤的断面可观察到准解理形貌的明显
河流花样（见图10），故经扫描电镜观察确认，进气门破断属准解理+沿晶断裂特征[2]。
2.5力学性能检测
在破断进气门上截取试块，硬度检测，实测结果见表2。
表2 硬度检测表
检测位置 进气门 技术参数规定 硬度 HRC 37.0、37.5、37.5 30~37HRC 平均值 37.5HRC 从表2中得出，破断进气门硬度值基本符合产品技术参数规定的硬度值范围。
3 结果分析
宏观检查发现，断口面可观察到多处显现有台阶及多条撕裂棱痕，断口附近没有缩颈现象，边缘无剪切唇，故宏观表现为脆性断口特征。
进气门使用的40Cr10Si2Mo钢制作，所检化学成分中的元素含量属国家标准规定范围。 金相检验表明，进气门所用钢材夹杂物级别较低，盘锥存在明显机加工形成的刀痕，且堆焊结合部本体一侧有部分游离铁素体的缺陷组织。经扫描电镜观察，在机加工刀痕主断面位置可见沿晶界分离形貌及二次裂缝，并可发现准解理形貌的明显河流花样，进气门破断属准解理+沿晶断裂特征。硬度检测表明，破断进气门硬度值符合技术参数标准规定值。
根据上述检验结果，破断进气门盘锥面存在明显的机加工刀痕，以及进气门堆焊结合部存在游离铁素体组织，降低进气门的承载强度，因此，进气门在承受载荷作用时，导致在进气门机加工刀痕的断裂源处形成微裂纹，随后裂纹逐渐扩展，直至完全断裂而报废。
4 结论
1.进气门盘锥面明显的机加工刀痕以及游离铁素体组织存在降低进气门的承载强度，导致进气门承载破断。
2.建议提高进气门盘锥面表面光洁度，并改进堆焊结合部位基体组织，以提高进气门的承载强度。
参考文献
[1]孙智等编《失效分析》 ,机械工业出版社，2005年3月。 [2]胡世炎编《破断故障金相分析》，国防工业出版社，1979年2月。
1、4B28TC进气门破断失效分析
