探索汽车金属零部件失效的原因

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 金属材料尤其是钢铁类零件占汽车所有材料用量的50%以上，因此汽车的金属零件失效问题是所有的汽车制造商及广大用户最为关注的问题。汽车的金属零件由于构成复杂，材料性能要求各不相同，加工工艺也有很多种，涉及到的失效成因也千差万别。汽车的零件从原材料到成品涉及到产品设计与优化、机械加工、铸造、锻造、冲压、热处理、焊接等多门类技术，每一类又可分为细分为许多种不同的工艺，是一个非常繁杂的工艺组合工程。由设计不当造成零件强度不足而失效的情况也有发生，但更多的失效成因集中在原材料、加工工艺与设备和使用维修方面。 原材料方面的原因 许多汽车零部件早期失效的成因之一是原材料本身的质量缺陷造成的。 我国的一些汽车零部件使用的钢材质量及热处理工艺标准都是在参考国外标准的基础上制定的，但根据我们的国情，一些标准要求有所放宽。如对钢材淬透性带宽的要求，淬透性带宽度对控制金属零件热处理变形起着重要作用。我国GB5216标准规定的齿轮钢淬透性带宽为12HRC，而在国外一些汽车的主要生产企业对齿轮钢的淬透性带宽提出了较严的要求，如对CrNiMo钢淬透性带宽的要求：美国休斯通用公司为8HRC，日本小松为5HRC。国外这样较为严格的要求，使其批量生产出的齿轮质量更加稳定，异常失效情况较为少见。 国内一些汽车生产企业出于成本及工艺成熟度的考虑，在引进车型中使用了一些替代金属品种。这些替代品种主要在合金的种类与数量上与原件不同，造成所用金属材料的综合机械性能等方面与原件钢材有差距。有些企业对引进的零件性能经过机械加工强化处理、调整热处理工艺等一系列后续处理得以弥补，能够完全代替进口零件。但有相当数量的零件综合机械性能仍不能与原件相比，使用寿命明显不如原件。 原始组织中的冶金缺陷主要有偏析、夹杂物、裂纹、白点等。另外，我们国家的钢铁冶炼水平与一些工业国家有差距，主要表现在钢材的纯净度、淬透性带宽及原始组织几个方面。 偏析 偏析是在钢锭凝固时，磷、硫、碳和氧等在局部地区富化的现象。当原始的偏析在零件热处理工艺中没有消除时，会在钢件基体中留下带状组织等异常，带状组织能显著降低材料综合力学性能并导致硬度不均匀,使力学性能具有明显的方向性。一次国内某知名的轴承生产企业的前轮轴承在安装使用后不久即出现内套碎裂，在金相检验中发现其内套金属基体中存在大量的带状组织。某国内最大的气门制造商生产的气门基体组织中也避免不了发现带状组织。国内另一个主要重型汽车生产企业的轴类零件在使用中多次出现早期断裂，最后发现造成断裂的直接原因是其热处理时的工艺参数问题，但其齿轮部分金属基体中也发现了相当的带状组织(图1)，这也加速了零件失效。 夹杂物 夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性和致密性，夹杂物的大小、形态和分布对钢质量的影响也不同。如果夹杂物细小，呈球形，弥散分布，对钢质量的影响比集中存在要小些；如夹杂物大，虽呈偶然分布，但对钢质量的危害也较大，严重影响钢材的工艺性能和力学性能，往往成为疲劳裂纹源。 托架内氧化（左） 汽车中的一些关键部件如发动机气门等都有对钢材中夹杂物的级别有技术要求。在一次气门早期断裂的失效检验中发现，在断裂的气门杆部基体中发现一些脆性球状氧化物夹杂(图2)，尤其是次表面的夹杂物尺寸较大，导致了气门杆部的断裂失效。 纯净度 钢材的纯净度主要为含氧量。含氧量对机件疲劳强度和工艺性能都有明显的影响。以齿轮为例，当氧含量从25×10-6降到11×10-6时，其接触疲劳强度为成倍提高。日本小松制作所用精炼钢生产的齿轮，其使用寿命由原来的6000h提高到10000h。而我们国家的钢材精炼率低，钢中氧含量较高，不可避免的氧化物夹杂含量较高，使生产出的汽车零件质量方面有些先天不足。目前国内仅有少数几个钢铁厂精炼生产出的优质钢材可满足汽车零件的特殊需要。 其它 国内一些小汽车配件生产厂家出于对经济利益的考虑选用一些价格低廉、性能偏低的原材料，这些材料从化学成分到原始组织都可能存在问题。如：有的使用45#钢代替40Cr等合金结构钢(图3)，有的用普通碳素钢代替弹簧钢，用普通合金结构钢代替热强钢，用普通铸钢代替合金铸钢(图4)等等。这样做的结果是，钢材的力学性能下降，机件的综合机械性能不能得到保证。如一些车型的排气门不按要求使用热强钢21-4N等钢种，而用普通40Cr钢代替，使气门的高温抗蠕化性能差，不能满足发动机燃烧室恶劣的工作环境对气门性能的较高要求。而且这些材料的金属基体中往往存在大量带状组织、夹杂物等冶金缺陷。这种情况下，汽车金属零件的早期失效成为不可避免的结果。 加工工艺与设备方面的原因 例：除砂型铸造外，还有金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造以及消失模铸造和熔模铸造。每一种工艺都有各自不同的质量问题存在，它们对零件使用性能的影响也较为复杂，在此仅对在使用中发现的引起零件失效的较为突出的成因作一说明。 热处理工艺与设备 热处理是使金属零件改善力学性能、物理性能、化学性能，提高产品使用寿命和提高能效的重要的工艺方法。热处理在汽车零件的生产用得到广泛应用，在保证汽车零件质量方面起着重要的作用。 在热处理的全过程中，如加热设备、加热气氛、加热温度、加热时间、淬火介质、冷却速度、保温时间等等，如果某些因素（设计、工艺、设备、操作等）不当，则均会有可能对最后的结果产生不良影响。以汽车半轴为例，半轴主要承受和传递扭矩，并经常承受冲击载荷。过去半轴加工多采用调质处理，近年来逐渐被中频感应淬火代替，这样可以大幅度提高其扭转疲劳强度。但感应淬火由于其特有的对铁磁性材料的交变电流加热原理，在零件的尺寸变化处受邻近效应的影响，易出现淬火软带，并有圆角处淬硬层浅或尖角局部过热等问题。某厂生产的轴类零件即是由于中频感应加热淬火参数的设定不当，使花键轴外与轴肩之间出现未淬上火的淬火软带，在使用中此区域频繁断裂(图5)。这可通过对感应加热线圈形式的改进、调整加热时间或采用仿形整体感应加热等手段解决。 目前国内外的热处理装备水平均已得到较大的提升，较为先进的多用炉、真空炉、离子渗碳炉、保护气氛炉已得到广泛的使用，这是改进热处理质量的有效手段。但国内一些热处理生产厂家仍采用较为落后的空气加热炉、井式渗碳炉和盐浴炉等，使金属热处理后碳化物级别、渗层、硬度等质量均无法保证，金属零件尺寸变形大、金属表面氧化、脱碳等现象不易解决。金属表面氧化一般同时伴随表面脱碳。脱碳层由于被氧化，碳含量降低，金相组织中碳化物较少。脱碳会明显降低钢的淬火硬度、耐磨性及疲劳性能。出于对强度及减轻整车质量的考虑，汽车零件中多种关键部件都对金属表面脱碳层深度提出技术要求。如：我国对汽车钢板弹簧表面脱碳层的要求是不大于其钢板厚度的3%。对日本进口汽车钢板弹簧的金相检验中发现其钢板弹簧表面无脱碳层，其基体组织特别细特别均匀，所以其钢板弹簧使用寿命可达到100万公里，远远超过国内生产的汽车钢板弹簧使用寿命。汽车连杆螺栓质量要求特别高，规定其质量级别为12.9级，其表面要求无脱碳。在一次对国产连杆螺栓断裂的早期失效分析中发现：螺纹根部发现严重脱碳，使螺栓表面硬度低，与其表面的微裂纹一起降低了螺栓的强度，造成了螺栓断裂、连杆打烂缸体的严重后果。 机械加工 机械加工质量对汽车零件使用寿命的影响也非同小可，机械加工质量包括加工精度与表面质量两个方面。由加工精度超差引起的汽车零件失效也屡见不鲜。而且现在大量机械加工工艺的改进都是为了提高最后的机件综合性能，如改进切削工艺、采用表面喷丸工艺、使用圆角滚压强化工艺等等。一批发动机缸套在装车使用不久出现掉圈及碎裂现象。经检查发现缸套上部支承肩的下端面平面度超差，应是水平加工的平面加工成与水平方向约10°的斜面，使缸套上部支承肩与缸体承孔间的面接触改为线接触，造成缸套上部支承肩应力集中，出现碎裂失效。在对一批发动机气门杆部断裂原因的查找中发现，断口在气门杆锁夹槽处，而该处的粗糙度普遍超过技术标准要求，甚至出现较深的机加工刀痕，成为疲劳裂纹源。 使用与维修方面的原因 操作水平 操作者使用水平的高低，是影响汽车零件使用寿命的另一种客观因素，相当一部分汽车零件的失效即是由人为原因造成的。据资料统计，车辆因润滑不良造成的故障占总故障数的41%。润滑不良的原因主要有：1、润滑油种类、粘度和质量等级选择不合理；2、润滑油变质，换油周期过长；3、汽车机件磨损严重、配合间隙过大或油道堵塞；4、操作不当，造成机件局部缺油。一些驾驶员没有相应的汽车知识，没有形成良好的操作习惯，常使汽车各机件处于不良的工作状态，都会加速机件的磨损与损坏，造成不应有的早期失效情况发生。如：在冬季低温状态下起动发动机时，在机油压力尚未达到规定值，润滑油尚未达到配合机件时，如果在此时短时间内轰大油门，就最易发生发动机轴瓦的表面损伤即烧瓦，严重时会发生轴瓦与曲轴轴径间的粘连，直至曲轴报废。 超载 货车的超载在我们国家是一种较为普遍的现象，这对我们的汽车设计与制造水平都是一种无耐而严竣的考验。超载使汽车各零件承受了过多的载荷。按照无限寿命设计制造的前轴、中桥、后桥、付梁等都过早进入了失效行列。 装配质量 维修装配质量对汽车的使用性能和使用寿命影响很大，如果维修、装配不当，即使所有的零件都合格，也难以获得质量要求的产品。反之如果零件的加工质量不是很好，往往可以通过采用适当的装配方法使产品合格，延长零件的使用寿命。汽车的维修同生产一样，是一个复杂的过程，需要维修技术人员拥有丰富的汽车维修知识，而不是简单意义上的拧紧螺丝。 以发动机维修时的需要配重这样一个细节为例，就能看出维修者的水平高低。发动机气缸里的气体力及活塞连杆的往复惯性力作用于曲轴的扭矩始终是周期性变化的。因此，任何一台发动机装置的轴系在运转中总是存在着扭转振动。如果扭转振动严重，会使轴系零件磨损加剧、噪声骤增，甚至导致断轴等事故。因此发动机维修说明书上会提醒用户注意活塞、连杆的质量分组。如斯太尔WD615发动机的连杆用大写字母表示质量分组，每个级别间质量相差29克，各级别间连杆不能互换。6110柴油发动机规定同一台发动机连杆重量差不超过15g，其中连杆大头差10g、小头差5g。活塞重量差尽可能不大于8g。在非成组更换活塞、连杆时，尤其要注意这个问题。一次大修某进口发动机后，连续两次出现曲轴断裂事故。最后发现是发动机大修时个别汽缸连杆更换为国产连杆，该连杆与原装连杆质量相差50多克，造成严重的动不平衡，使曲轴出现非质量因素的失效。 总之，造成汽车金属零件失效的成因很多、很复杂，其问题的解决需要我们国家各方面整体质量水平的提高，这一情况会随着我国工业化水平的提高而得到改善。(end)

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