发动机喷油器开裂失效分析

叶枫，孙峰，李立国，卢洪英，2

1.义乌吉利动力总成有限公司 浙江义乌 322000

2.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江宁波 315000

1 序言

喷油器是汽车发动机重要组成部分，其作用主要是将燃油雾化后喷入燃油室内，起到帮助发动机燃烧的目的，同时又要求其具备抗污染能力强、动态流量范围大、雾化性能及抗堵塞性能好等特性，因此在发动机内部属于一种高精密的零部件。喷油器通过密封圈安装在进气歧管或进气道附近的缸盖上，接收到来自ECU的喷油脉冲信号后将电磁阀接通，使燃油喷射量得到精确控制；发动机燃烧系统对喷油器的喷雾特性要求极高，主要表现在扩散锥角、油束方向、雾化粒度、射程及油雾分布等方面，以便使混合气形成且燃烧完善，从而获得较高的功率和热效率[1]。

2020年3月，某故障发动机在拆机之后，发现喷油器在使用过程中有汽油泄漏现象（见图1）。本文对发动机用喷油器进行失效分析，通过检测与分析，确定喷油器泄漏产生位置及原因，测试项目主要包括化学成分分析、金相测试、宏观检测与SEM分析、SEM-EDS分析等，研究其产生故障的特征、规律及原因，为后续发动机的生产、使用或维修中采取有针对性的改进和预防措施提供理论依据，以防止同类故障再次发生[2]。

图1 失效喷油器实物

2 测试与分析

2.1 宏观检测与SEM分析

采用体视显微镜、3D显微镜、扫描电子显微镜（SEM）对失效喷油器中VB管体及其断口进行形貌观察，测试结果如图2～图9所示。

图9 Ⅲ区SEM照片（木纹层状断口，1000×）

图2所示为失效喷油器中VB管的实物及宏观形貌，从中可以很明显地观察到，该区域存在一长度约5.732mm的纵向裂纹，且裂纹中部在管体表面弧形突变区域较深，且有黄色锈迹，而裂纹端部两侧较浅，可推测该裂纹可能由中间管体表面弧形突变区域向两端扩展[3]。

图2 失效喷油器VB管体宏观形貌（6.4×）

图3所示为裂纹中心区域的SEM照片，该位置管体表面覆盖着较多的腐蚀物，沿着裂纹纹路对其进行拆解后，使用扫描电子显微镜对其断口1表面的形貌进行拍照分析，结果如图4所示。从图4可看出，其VB管内无明显腐蚀现象。

图3 断口1的SEM照片（140×）

图5～图7所示为图4中Ⅰ～Ⅲ区相关位置的SEM照片，其中Ⅰ区又分为A～D区（见图5）。从图中可以看出，该断口Ⅰ区中有清晰的深色表面覆盖物，特别是A区和B区中的腐蚀产物为泥纹花样特征，属于典型的腐蚀产物形貌，同时，A区表面还观察到一处较深的腐蚀坑，通过丙酮超声波清洗后自腐蚀坑附近管体外表面观察到解理断裂；C区和D区主要呈解理断裂特征现象，且依据解理形貌的放射线走势可推断该断口的断裂源为Ⅰ区的A区、B区；此外其他断口表面Ⅱ区表现为解理断裂，Ⅲ区还观察到木纹层状断口特征现象。

图4 VB管体开裂处拆解后断口1宏观形貌（11×）

图5 Ⅰ区SEM照片（90×）

图6 A区的SEM照片（清洗前，400×）

图7 A区的SEM照片

图8 C区和D区SEM照片（270×）

2.2 SEM-EDS分析

为进一步分析VB管开裂处及其断口表面的化学成分，将其置于扫描电子显微镜下进行观察，采用能谱仪对VB管体表面开裂中间区域、生锈区域和非裂纹生锈区域（见图4中Ⅰ～Ⅲ区）以及断口表面断裂源及附近分别进行材质成分元素定性及半定量分析。由测试结果可知，失效VB管开裂中心弧形突变区位置和生锈区位置的腐蚀产物除O元素外，还检测到腐蚀性Cl元素，同时在断裂源区域也检测到O、Cl元素，而非裂纹非生锈区域及C区（见图5）未检测到明显腐蚀性元素（见表1）。

表1 失效VB管EDS图谱分析结果（质量分数） （%）

众所周知，虽然氯离子半径很小，但穿透能力却很强，氧化膜内极小的空隙均可轻松穿越到达金属表面，并在金属表面将氧排除掉，进一步形成可溶性物质，从而加速了腐蚀的产生。

2.3 化学成分分析

喷油器内VB管材的材质为DIN EN 10088-3—2014中X6CrMoS17（DIN 1.4105）不锈钢；其原材料是棒料，经机加工成形，不涉及热处理。采用耦合等离子体发射光谱仪和高频红外碳硫分析仪对失效VB管进行化学成分分析，结果见表2，符合技术要求。

表2 失效VB管化学成分分析结果 （质量分数）（%）

2.4 金相分析

在失效VB管体的开裂附近制取纵向金相试样，依次进行镶嵌、磨抛、腐蚀，然后使用金相显微镜对样品进行观察，结果如图10所示。从图10可看出，VB管的金相组织为铁素体＋条状硫化物，晶粒度为7.5级。

图10 VB管纵向金相形貌（500×）

3 分析与讨论

宏观检测显示，失效VB管体表面存在一长度约5.732mm的纵向裂纹。裂纹中部在管体表面弧形突变区域较深，且有黄色锈迹，而裂纹端部两侧较浅，因此可推测该裂纹是由中间管体表面弧形突变区域向两端扩展。将裂纹打开后VB管内表面未观察到明显腐蚀现象，而断口表面Ⅰ区（弧形突变区域）覆盖有黄色腐蚀产物。

SEM微观分析表明，断口表面Ⅰ区中的A、B区（弧形突变区周围）表面覆盖的腐蚀产物，呈泥纹花样特征，属典型的腐蚀产物形貌；同时，A区表面还观察到一处明显的腐蚀坑，采用丙酮超声波清洗后，在腐蚀坑附近靠管体外表面观察到解理断裂；C区主要呈现解理断裂特征，且根据解理形貌的放射线走势可推测该断口的断裂源为Ⅰ区的A区、B区。此外，在Ⅲ区观察到木纹层状断口特征。VB管裂纹断面呈解理特征，可能与该管成形时管材的晶粒中一定的晶面和晶向沿纵向分布有关，此时晶面间的作用力被削弱，从而腐蚀裂纹容易在该晶面过解理面形成并扩展，硫化物沿着晶粒分布进一步削弱了晶间的作用力[4]。

综上所述，喷油器中VB管的断裂源是弧形突变位置的近外面区域，然后横向往管内并纵向往两侧扩展。裂纹源上的腐蚀坑，其表面上有呈泥纹花样特征的腐蚀产物，能谱分析显示该区域存在材质应力腐蚀敏感元素Cl，可以推断在含Cl介质中材料容易发生点腐蚀，腐蚀由此处深入到材料的内部，并在内部快速扩散形成一个腐蚀腔，当腐蚀扩展到一定程度时，在管壁受内部油压冲击作用下导致载荷开裂。断口微观上主要是解理断裂特征，且VB管与内部PP管是过盈配合[5]，周向残余拉应力存在于外表面弧形突变区域。通过以上分析，可以明确VB管开裂的性质，属于应力腐蚀开裂。

4 结束语

通过对喷油器总成开裂进行失效分析，可以得出如下结论。

1）失效喷油管中V B管的化学成分符合标准DIN EN 10088-3—2014中X6CrMoS17（DIN 1.4105）不锈钢的技术要求。

2）金相分析显示，材料中VB管的金相组织为铁素体＋条形硫化物，晶粒度为7.5级。

3）喷油器中VB管的断裂源是弧形突变位置的近外表面区域，然后横向往管内、纵向往两侧扩展。

4）含Cl元素液体介质对耐晶间腐蚀及点腐蚀能力影响极大，在生产制造、维护和使用过程应严格避免含Cl介质的引入。

5）应力腐蚀开裂是导致喷油器VB管开裂的主要原因。