康明斯发动机排气管内表面耐久试验氧化现象分析与研究

保定长城内燃机制造有限公司 （河北 072650） 郭全领

1.概述

康明斯电控柴油发动机经1000h耐久试验后，对发动机零件排气管外观检测（见图1），发现排气管内表面产生氧化层脱落现象（见图2、图3），同时发现经500h耐久试验后，增压器与排气管的联接螺栓焊死在增压器上（见图4），造成增压器报废，更换新增压器后耐久性试验得以继续进行。

2.分析研究目的

检测1000h耐久试验后排气管变形量，是否有裂纹产生，以及分析排气管氧化起皮的原因，排气管氧化起皮的壁厚，分析增压器与排气管联接螺栓焊死的原因。

3.技术分析报告内容

（1）检测1000h耐久试验后排气管变形量 采用三坐标测量仪测量1000h耐久试验后的排气管变形量，即测量排气管增压器面相对于管口面的垂直度。测量结果显示，排气管1000h耐久试验后，以排气管管口面为基准，其增压器面垂直度偏差为0.010mm、0.011mm，变形量小于产品要求，而管口面垂直度允许误差为0.13mm，实际值为0.059～0.13mm，均满足用户使用过程中的排气管拆装、密封要求。

需说明的是，由于检测分析方面的问题，排气管先从中间锯开，后进行变形量的测量，故可能会产生测量误差。

（2）检测1000h耐久试验后排气管裂纹 通过对排气管内外表面仔细目测，没有发现任何裂纹现象。

（3）检测分析1000h耐久试验后排气管氧化起皮的原因 根据产品要求，1000h耐久试验排气管材质力学性能、化学成分及组织技术要求及检测结果见表1。从中可以看出，各项指标均满足产品材料规定要求。

检测1000h耐久试验后氧化起皮处，同包次浇注排气管金相组织和毛坯件相同部位的组织如图5～图8所示。从中可以看出，除了试验件表面氧化外，排气管石墨和基体组织试验前后均满足产品要求，试验前后金相组织没有明显变化。

表1 排气管铸件材质力学性能、化学成分及组织要求

根据相关对非合金球墨铸铁氧化倾向的研究，非合金球墨铸铁（见图9，试验温度700℃，试验时间500h）氧化倾向比QTRSi4Mo牌号的排气管大，这因为QTRSi4Mo牌号属于中等耐热铸铁，化学成分中Si含量高于非合金球墨铸铁。

（4）检测分析排气管试验氧化前后壁厚的变化情况 为了分析排气管氧化前后壁厚的变化情况，我们又解剖了同一炉次生产的另外一件排气管毛坯件，壁厚对比如下，对比测量结果见图10及表2。由表2可以看出，测量的排气管试验前后的管壁有效尺寸满足产品尺寸要求。

氧化层起皮厚度为0.2～0.5mm。

表2 排气管试验前后的壁厚尺寸对比

4.球墨铸铁高温氧化机理分析与讨论

（1）铸铁的高温氧化特点 同许多金属一样，铸铁的金属基体在高温氧化性气氛下会氧化。铸铁组织中除了金属外通常还有石墨，铸铁的氧化是金属基体氧化和石墨烧损的综合结果，二者相互影响。铸铁的氧化取决于化学成分，以及石墨形态和数量。

（2）铸铁氧化膜结构 铸铁氧化时，表面形成一层或多层氧化膜。该氧化膜的致密性、稳定性及与铸铁的附着性决定了氧化膜是否具有保护铸铁的能力。铸铁氧化膜的结构与铸铁的化学成分，以及形态有关。

由图9可以看出，非合金球墨铸铁的氧化膜致密性、稳定性、附着性较差（需要说明的是球墨铸铁比灰铸铁、蠕墨铸铁抗氧化性优良），因此通过加入合金元素改变氧化膜结构，提高其致密性、稳定性、附着性，可以提高球墨铸铁的抗氧化性能。试验证明，当球墨铸铁中wSi＞4.5%、wCr＞2%、wNi＞20%时，可以显著提高球墨铸铁氧化膜的致密性、稳定性、附着性，提高球墨铸铁的抗氧化性能。例如，QTRSi5耐热铸铁与奥氏体耐热球墨铸铁相比， QTRSi5耐热铸铁硬度高，加工性差，脆性大，而奥氏体耐热球墨铸铁性能优良。综合比较而言，QTRSi4Mo具有较好的综合性能，其抗变形性、抗裂性较好，虽然抗氧化比上述两种球墨铸铁差些，但是抗氧化能力通过710～740℃的1000h耐久试验，根据上述QTRSi4Mo排气管壁厚尺寸测量，分析认为能满足发动机设计的寿命期内的要求，因此耐久试验后的QTRSi4Mo排气管出现的氧化起皮（0.5mm）现象，对于排气管寿命周期内来说属于正常现象，另一个重要的因素是QTRSi4Mo排气管加工性能好，制造成本相对低，故考虑到以上因素，从这次QTRSi4Mo排气管耐久性试验表现的结果来看，是合格的，部分部位出现的起皮现象也是正常的。如果要彻底解决该问题，需改变材质，采用抗氧化性更好的耐热性球墨铸铁，例如将QTRSi4Mo的硅量（重量分数）从3.8%～4.2%提高至4.5%～5.5%，或直接采用QTRSi5耐热铸铁、奥氏体耐热球墨铸铁。

（3）部分部位出现的起皮现象分析 经过这次耐久性试验后，QTRSi4Mo排气管内表面——气流通道面，部分表面出现起皮现象是因为QTRSi4Mo属于中等耐热性材料，具有一定的耐热性和抗氧化性，如果是普通球墨铸铁排气管材料，经过这样的耐久性试验后，则其内表面会出现严重的氧化起皮——全部内表面出现起皮，氧化起皮厚度更厚，排气管有效壁厚明显降低，但对于QTRSi4Mo球墨铸铁排气管来说，这种现象明显较弱。部分部位出现起皮现象的原因是：铸铁高温氧化速度取决于供氧量，供氧量越大，高温氧化越严重，排气管出现起皮部位是温度较高部位、拐弯部位，这些部位涡度大、供氧量更充分，因此加速了铸铁氧化速度，故易出现起皮现象。

关于500h耐久试验后增压器与排气管的联接螺栓焊死现象，分析认为由于试验温度高（710～740℃），螺栓螺纹内存在不耐高温、不耐氧化的物质，该物质高温膨胀或氧化膨胀，从而产生了联接螺栓焊死现象。

5.结语

根据以上检测分析和讨论，可以得出以下结论。

（1）排气管经710～740℃的1000h耐久试验后，排气管没有裂纹，装配尺寸变形较小，满足产品尺寸要求。

（2）耐久试验后，铸件壁厚尺寸满足产品要求，局部出现的氧化起皮现象，属于正常现象，能满足排气管寿命周期内的使用要求。

（3）耐久试验后，内部金相组织合格，满足产品要求。

（4）如要彻底解决排气管氧化起皮问题，以提高产品质量，则需改变材质，采用抗氧化性更好的耐热球墨铸铁，但会增加不小的制造成本。

（20130122）