分享：船用发动机Z40CSD10钢排气阀断裂原因

某船用发动机排气阀的材料为Z40CSD10钢。该排气阀所在主机运行18 000 h后出现排气阀断裂故障(见图1)。柴油机排气阀是控制废气排放的核心部件，柴油机在运行时，气缸内的燃气温度较高，排气阀出口温度最高可达1 000 ℃，燃油高温燃烧，挥发物质中会存在一定含量的腐蚀性介质硫元素。排气阀关闭时，受到气阀弹簧的压力作用，其与阀壳处的锥面紧密贴合，起到对排气通道的密封作用，气阀承受燃气压力给予的静载荷；排气阀开启时，阀盘承受高温燃气的冲蚀作用，同时在其落座过程中承受与阀壳的冲击载荷。笔者采用一系列理化检验方法对该排气阀断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

图  1  断裂排气阀宏观形貌

1.   理化检验

1.1   宏观观察

对断裂排气阀断口处进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：阀盘和靠近阀盘的阀杆颜色呈黑色，表面较为粗糙，初步判断是受高温烟气的影响造成的氧化腐蚀；断裂位于阀盘一侧，断口上可见清晰贝壳纹，断口呈灰褐色，根据贝壳纹收敛方向可知断裂源区为阀盘表面，对比图纸可知该位置为非堆焊区域；裂纹由裂纹源区向3个方向扩展，其中两个扩展方向如图2虚线所示，第3个方向为未打开的裂纹。 

图  2  断裂排气阀断口处宏观形貌

1.2   化学成分分析

采用红外碳硫仪和直读光谱仪对断裂排气阀进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂排气阀的化学成分符合排气阀图纸对Z40CSD10钢的技术要求。 

1.3   力学性能测试

从排气阀阀杆上截取试样，依据GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》和GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》分别对试样进行拉伸试验和杆端部硬化层硬度测试，结果如表2所示。由图2可知：排气阀阀杆拉伸性能和杆端部硬化层硬度均符合图纸技术要求。 

1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

将排气阀断口试样清洗后置于扫描电子显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：断口处可见清晰贝壳纹线，放大观察可见氧化覆盖层，无法显示原始断裂面的细节特征。 

图  3  断口SEM形貌

对断裂源区表面进行观察，也可见氧化覆盖层（见图4）。对断口氧化覆盖层进行能谱分析，分析位置如图3（d）所示，分析结果如图5所示。由图5可知：断口上除了因高温氧化腐蚀存在的O元素外，腐蚀性介质S元素含量也较高。 

图  4  断裂源区表面SEM形貌

图  5  断口覆盖物能谱分析结果

截取排气阀断口剖面试样，将其镶嵌、磨抛后置于扫描电镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：阀盘表面存在腐蚀坑，氧化物覆盖在阀盘表面和腐蚀坑上，断口处也可见氧化物覆盖。对腐蚀坑中的腐蚀产物进行能谱分析，分析位置如图6所示，分析结果如图7所示，可见腐蚀产物中腐蚀性介质S、Cl元素含量较高。 

图  6  剖面试样SEM形貌

图  7  腐蚀坑中腐蚀产物的能谱分析结果

1.5   金相检验

截取杆端部纵向剖面试样，将试样进行镶嵌、磨抛、腐蚀处理后置于光学显微镜下观察，杆端部淬硬层深度为3.9 mm，符合图纸要求（>1.5 mm）[见图8（a）]。截取排气阀堆焊层纵向试样，将试样进行镶嵌、磨抛、腐蚀处理后置于光学显微镜下观察，可见堆焊层与基体结合良好，未见焊接缺陷，热影响区晶粒度为6级，符合图纸要求（细于4级）[见图8（b）和8（c）]。截取阀盘纵向剖面试样，将试样进行镶嵌、磨抛、腐蚀处理后置于光学显微镜下观察，可见阀盘基体组织为回火索氏体[见图8（d）]。 

图  8  断裂排气阀的微观形貌

2.   综合分析

断裂排气阀的化学成分、力学性能、杆端部淬硬层深度和硬度、堆焊层焊接质量等均符合图纸技术要求。排气阀断口上可见清晰贝壳纹，呈典型疲劳断裂特征，断口呈灰褐色，根据贝壳纹收敛方向可知，断裂源区为阀盘表面，断口处和断裂源区表面可见氧化物覆盖。阀盘表面存在腐蚀坑，氧化物覆盖于表面和凹坑上，断裂面上氧化覆盖物中除了含有因高温氧化腐蚀而存在的O元素外，还含有较多的腐蚀性S、Cl元素。气阀作为柴油机燃烧室的重要组成零件，工作时直接受到高温、高压燃气的作用，承受较大的热载荷和机械载荷作用。在增压柴油机上，排气阀阀盘的温度可达650~800 ℃[1]。排气阀失效原因主要有：表面加工裂纹[2]、原材料成分不合格[3]、润滑不良[4]、焊接不良[5]、高温氧化腐蚀等。该断裂排气阀工作运行了18 000 h，其长时间直接与高温烟气接触，材料表面发生了高温氧化腐蚀，且烟气中含有较高含量的腐蚀性S、Cl元素，加速了表面腐蚀坑的形成。气阀在关闭时，阀盘与阀座不断相互撞击，存在较大的循环机械冲击载荷，当表面腐蚀坑形成后，腐蚀坑处存在应力集中，萌生了疲劳裂纹[6]，在循环冲击载荷的作用下，裂纹疲劳扩展，最终导致排气阀断裂。 

3.   结论

断裂排气阀因长时间接触高温烟气，其表面发生高温氧化腐蚀，且烟气中含有较高含量的腐蚀性S、Cl元素，加速了腐蚀坑的形成，腐蚀坑处存在应力集中，在交变应力的作用下，腐蚀坑处萌生了微裂纹，裂纹不断扩展，最终导致排气阀发生疲劳断裂。 

文章来源——材料与测试网