柴油发动机GhSiMoRct球墨铸铁排气歧管断裂原因

师利芳, 周隐玉2, 姜进京, 孙晓波, 周 林

(1.上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心, 上海 200438； 2.上海材料研究所, 上海 200437)

尽管我国机动车保有量中柴油机动车数量占比不足10%，但由柴油发动机所排放的氮氧化物，却接近汽车总排放量的70%，其中颗粒物超过90%。因此，柴油发动机的排放控制，已然成为了我国机动车污染防治工作的重中之重[1-2]。

随着最严国六排放标准的发布，为了降低污染物的排放，柴油发动机的排气温度被大幅度提高。而作为汽车废气排放的首要通道，排气歧管的工作环境也面临着巨大的考验。

GhSiMoRct(以下简称中硅钼)球墨铸铁以其优良的高温力学性能和高温化学稳定性能，以及优良的抗氧化性能，被广泛用于高热负荷的柴油发动机排气歧管制造中。为确保柴油发动机在苛刻的工作环境下仍能保持正常运转，某发动机公司对某型号柴油发动机进行了较为严苛的热冲击测试[3]。其中一排气歧管在热冲击测试进行至时长不到1%时便发生了断裂。为找到排气歧管的断裂原因，笔者对断裂的零件进行了一系列理化检验与分析，并结合失效原因给出整改意见，以期从根本上防止此类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂排气歧管的宏观形貌如图1所示。可见该排气歧管进气口第2，3缸之间加强筋处有一条总长度约12 cm的裂缝，如图中箭头所示，裂缝附近未见肉眼可见的铸造缺陷,该排气歧管的其他位置未发现开裂或明显缺陷。

图1 断裂排气歧管宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured exhaust manifold

为排查断裂件是否有其他肉眼不可见的缺陷，对断裂件进行磁粉探伤检测，检测结果如图2所示。可见磁粉探伤结果与肉眼观察结果一致，在排气歧管进气口第2，3缸之间的加强筋处，裂纹较明显。

图2 断裂排气歧管磁粉探伤检测结果Fig.2 Magnetic particle inspection results of fractured exhaust manifold:a) side view of crack; b) main view of crack

为进一步查明该排气歧管的断裂原因，对该排气歧管进行了人工剖切，剖切结果如图3所示。由图3a)可知，该排气歧管经人工剖切后，断口裂纹处无塑性变形，表明断裂模式为脆性断裂；该断口表面颜色发黑，是因为该断口在试验中曾受到高温作用；管壁右半边两侧整齐的银白色区域为人工剖切断口。为适应接下来的扫描电镜微观分析，对该排气歧管断口进行进一步剖切，该断口在磁粉探伤测试仪下的形貌如图3b)所示。其中荧光粉显示的边界，即为该排气歧管最初始的断口边界，与图3a)中的断口发黑形貌一致。

图3 断裂排气歧管断口剖切后的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of fractured exhaust manifold after cutting: a) macro morphology after cutting; b) macro morphology of fracture

1.2 扫描电镜分析

对经多次酒精超声清洗后的排气歧管断口进行扫描电镜(SEM)分析，分析位置如图4a)所示，结果如图4b)～f)所示。

图4b)中断口形貌以曲线为界限，有明显区别。线以下部分的断口形貌与图4c)中右下箭头指示位置的一致，为韧窝+石墨球，是球墨铸铁材料中典型的韧性断裂特征；线以上部分的断口形貌，与图4c)中左上箭头指示位置的一致，表现为解理形貌，是球墨铸铁材料中典型的脆性断裂特征；而在图4b)中发现由外向内的扩展裂纹，裂纹扩展方向如图中箭头所示。

图4d)中的断口形貌与图4c)中左上箭头指示位置的一致，表现为解理形貌；加强筋断口的扩展方向如图4d)中较短的3条箭头所示，存在3条扩展裂纹，裂纹的扩展方向与图中较长的3条箭头指示方向保持一致；裂纹扩展深度，与图中实线圈出位置保持一致。

图4e)为靠近排气歧管管壁的断口，该处的断口晶粒界面条纹较模糊，表明断口存在氧化现象；在该区域发现未被氧化的断口形貌呈现出准解理形貌[图4e)插图]，表明该断口为脆性断裂；该断口处发现3条扩展裂纹，位置如图中较短的3条箭头所示;裂纹靠近排气歧管内壁一侧棱角更为分明，表明扩展方向由排气歧管内壁向外扩展，与图中较长的3条箭头指示方向保持一致；另外，发现两处铸造缺陷，分别如图中圈出位置1，2所示,位置1的孔洞形状不规则，表面粗糙，直径约为200 μm，为缩孔缺陷，其附近未发现裂纹扩展痕迹；位置2表现为表面光滑的枝晶聚集形貌，为群状分布的针孔缺陷,该两处铸造缺陷距离排气歧管通道较近，虽不是断口形成的主要因素，但对断口存在一定影响。

图4 断裂排气歧管断口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of fractured exhaust manifold: a) analysis positions; b) position 1; c) position 2; d) position 3; e) position 4; f) position 5

图4f)为排气歧管断口扩展区域的形貌，表现为河流花样的解理形貌[4-6]。

1.3 化学成分分析

对断裂排气歧管进行了白口制样[7]，并采用直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果如表1所示。可知该排气歧管中硅元素含量超过企业标准[8]规定的上限值，其他各化学元素含量均满足该企业标准对GhSiMoRct球墨铸铁的要求。

表1 断裂排气歧管的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of fractured exhaust manifold (mass fraction) %

1.4 硬度测试

对断裂排气歧管取样并测试断口附近外表面的硬度。布氏硬度测试结果为237 HBW，满足标准对排气歧管硬度200～240 HBW的技术要求[9-10]。

1.5 金相检验

在断裂排气歧管断口附近取纵载面试样进行金相检验，浸蚀前后的形貌如图5所示。依据GB/T 9441—2009《球墨铸铁金相检验》的技术要求对该排气歧管的显微组织进行观察并评级，结果表明基体显微组织为铁素体，珠光体含量占9%(面积百分比,下同)，分散碳化物含量约为2%；石墨球大小及分布均较均匀，球化级别为2级，石墨大小级别为6级。为保证排气歧管在高温工作环境中，仍能保持较高的强度水平，且保证几何尺寸不受到影响，企业标准要求材料基体的显微组织为铁素体，珠光体含量不大于10%，允许少量的碳化物存在，但含量应不大于5%；球化级别要求为1～2级，石墨大小为5～7级。可见该排气歧管的显微组织满足企业标准的要求。

图5 断裂排气歧管石墨及显微组织形貌Fig.5 Morphology of a) graphite and b) microstructure of fractured exhaust manifold

2 分析与讨论

由化学成分分析可知，该零件的化学成分中硅元素含量偏高，超过企业标准的规定，其他化学元素满足企业标准的要求；断口附近外表面的布氏硬度测试结果为237 HBW，满足零件的设计要求；依据GB/T 9441—2009对断裂排气歧管的显微组织进行评定，结果表明基体显微组织为铁素体，珠光体含量占9%，分散碳化物含量约为2%，满足标准的要求。石墨球大小及分布均较均匀，球化级别为2级，石墨大小为6级，同样满足企业标准的技术要求。

结合显微组织形貌分析结果，判断该零件的失效过程包括以下3个步骤。

(1) 该零件在浇铸成型过程中，由于硅含量相对较高，形成硅脆；在液态金属冷却过程中，铸件基体内部的流动性变差，导致基体内部产生少量的缩松及针孔等铸造缺陷。

(2) 在进行台架试验时于缺陷处产生裂纹并不断扩展，直至图4d)中的实线圈出位置，导致零件强度大幅度降低。

(3) 热冲击试验过程中，在反复高温冲刷的工况下，零件最终因强度不足发生脆性断裂。

3 结论及建议

排气歧管组织中存在铸造缺陷，在外力作用下于缺陷处产生裂纹并不断扩展，导致零件强度大幅度降低，最终排气歧管发生断裂。

建议降低合金中硅元素的含量，并充分干燥铸造用型砂，避免存在水分，影响铸件质量；产品线增加磁粉探伤检验装置，对下线产品进行100%检测，如发现下线产品存在表面缺陷，及时报废处理。