PTCA (PARTA :PHYS.TEST.)11M @量往制与失玟分析IX)I： 10.11973 lhjy-wl202011009柴油发动机G h S iM o R c t球墨铸铁排气歧管断裂原因 师利芳1，周隐玉2，姜进京1，孙晓波1，周林1
(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)
摘要：柴油发动机用排气歧管常用高温力学性能优良的GhSiMoRct球墨铸铁材料铸造而成，但由于铸造零件的加工工序较多，铸件质量不稳定，排气歧管在服役过程中发生了断裂。通过磁粉探伤、扫描电镜分析、化学成分分析、金相检验等方法，对柴油发动机GhSiMoRct球墨铸铁排气歧管的断裂原因进行了分析。结果表明：排气歧管组织中存在铸造缺陷，在外力作用下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。
关键词：柴油发动机；排气歧管；GhSiMoRct球墨铸铁；铸造缺陷；断裂
中图分类号：TG143 文献标志码:B 文章编号：1001-4012(2020)11-0039-04
Cause of Fracture on GhSiMoRct Ncxlular Cast Iron Exhaust Manifold in Diesel Engine
SHI Lifang1, ZHOU Yinyu2, JIANG Jinjing1, SUN Xiaobo1, ZHOU Lin1
(1. Commercial Vehicle Technical Center of SAIC Motor, Shanghai 200438, China;
2. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)
A b stra ct ：The exhaust manifold of diesel engine is usually made of GhSiMoRct nodular cast iron material
with excellent high temperature mechanical properties. However, due to the many processing procedures of casting parts and the unstable casting quality, the exhaust manifold fractured during service. The causes of fracture on GhSiMoRct nodular cast iron exhaust manifold in diesel engine were analyzed by means of magnetic particle inspection, scanning electron microscope analysis, chemical composition analysis and metallographic examination.
The results show that there were casting defects in the structure of the exhaust manifold. Under the action of external force, cracks produced and propagated continuously, which led to the decrease of the strength of the parts and the fracture of the exhaust manifold.
K eyw ords：diesel engine；exhaust manifold；GhSiMoRct nodular cast iron；casting defect；fracture
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M。
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
收稿日期：2020-02-19
作者简介：师利芳（1989 —），女，博士，主要从事汽车金属零件失 效分析工作，*****************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
l.i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 39
理圯韹瞄-物理分冊______________师利芳，等：柴油发动机G h S iM o R c t球墨铸铁排气歧管断裂原因
度约12 c m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. 1Macro morpholog) 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。
b)裂纹主视图
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 颜发黑，是因为该断口在试验中曾受到高温作川；管壁右半边两侧整齐的银白区域为人工剖切断 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。 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
b)断口宏观形貌
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) macn> morphology of fracture
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•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4h)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。
[?丨4d)中的断口形貌与阁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
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师利芳，等：柴油发动机G h S iM o R c t球墨铸铁排气歧管断裂原因1-
d)位置3 e)位置4 f)位置5
图4断裂排气歧管断口SE M形貌
Fig.4 SEM morphology of fracture of fractured exhaust manifold:
球墨铸铁铸造
a) analysis positions; b) position 1; c) position 2; d) position 3; e) position 4; f) position 5
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 pm，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1
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[s]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. 1Chemical compositions of fractured exhaust manifold (mass fraction)
项目C S i Mn Mo P S Mg
实测值 3.2 4.540.2 1.10.030.0070.04
标准值<3.6 4.00 〜4.50<0.5 1.0 〜1.5<0.05<0.0150.01 〜0.05
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 H BW的技术要求[91°]。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 一2009《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。
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
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J〇
理汜艟m-物理分明师利芳，等：柴油发动机G h S iM o R c t球墨铸铁排气歧管断裂原因
a)石墨形貌
__
b)显微组织形貌
图5断裂排气歧管石墨及显微组织形貌
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。
参考文献：
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Fig.5 Morphology of a) graphite and b) microstructure of
fractured exhaust manifold
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。(12)： 922-925.
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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。
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