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涡轮增压器耐高温双头螺柱断裂问题分析与解决

2020-08-28

涡轮增压器耐高温双头螺柱断裂问题分析与解决

1、前言

近年来,随着汽车的排放标准及发动机效率的不断提高,涡轮增压技术的应用越来越广泛,涡轮增压器的工作特点使然,其紧固双头螺柱部位的温度可达750℃,普通双头螺柱在如此高温下会产生蠕变而导致其性能下降、连接失效以及螺纹烧结等不良,从而容易造成拆卸时出现双头螺柱断裂,故这个位置的耐高温双头螺柱的选材及表面处理的选择尤为重要。

某汽车发动机在台架耐久试验后,进行拆卸涡轮增压器耐高温螺母时,把相配的耐高温双头螺柱从涡轮增压器基体中拧出,耐高温螺柱全部出现了断裂。文中对断裂的双头螺柱样件进行了详细分析,并对耐高温双头螺柱的技术要求及表面处理进行了设计优化,之后顺利通过了模拟拆卸试验及发动机台架耐久试验,实现了批量生产。

2、原因分析

2.1 失效耐高温双头螺柱的断口宏观分析

如图1所示,耐高温双头螺柱的一端螺纹拧入到涡轮增压器基体上,另一端螺纹与耐高温螺母配合,失效双头螺柱的断裂位置位于螺母法兰面下面3到4扣螺纹处。其中的耐高温双头螺柱及耐高温螺母基本信息如下:双头螺柱,规格M8×12×28,机械性能等级10.9级,材料为NiCr20TiAl(镍基高温合金材料),表面处理为防烧结处理;螺母:规格M8,机械性能等级10级,材料X6NiCrTi-MoVB25-15-3(Fe-25Ni-15Cr基高温合金材料),表面处理为镀铜。

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图1 失效螺柱装配示意图及断裂位置


从图2失效双头螺柱的断口形貌判断,耐高温双头螺柱断裂面微平整,螺纹无明显拉长,相配件耐高温螺母螺纹部分有摩擦痕迹,螺母旋出3到4齿螺纹后发生扭矩剪切断裂。从以上失效双头螺柱的宏观分析,基本判定为耐高温螺母在旋出时,受过大的拧出力矩导致耐高温双头螺柱断裂。


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图2 失效螺柱断口近貌

2.2 失效耐高温双头螺柱的断口低倍放大分析


通过失效双头螺柱断口的低倍观察分析,如图3所示,其断口纹路的旋转方向为顺时针,则相配螺母旋转的方向为逆时针,所以可以判定失效双头螺柱是在拧出时发生的断裂。


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图3 失效螺柱断口低倍放大图


另通过失效双头螺柱和相配螺母的纵剖面低倍观察分析,如图4所示,相配件耐高温螺母在拧出时与双头螺柱发生了螺纹粘连,造成拧出力矩大于双头螺柱的破坏扭矩从而导致螺柱断裂。


  

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图4 失效螺柱和相配螺母的纵剖面低倍放大图


2.3 失效耐高温双头螺柱的硬度分析


用维氏硬度计对失效螺柱的芯部进行了硬度测试,测试结果见表1,符合技术要求,判定为合格。


表1 失效双头螺柱芯部硬度测试结果(HV10)


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 2.4 失效耐高温双头螺柱的化学成分分析


用碳硫分析法和化学分析法对失效螺柱的化学成分进行了测试,测试结果见表2,符合技术要求,判定为合格。


表2 失效双头螺柱化学成分测试结果 %

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2.5 耐高温双头螺柱和相配件耐高温螺母材料的选用分析


通过对实际温度的测量,配合此耐高温双头螺柱涡轮增压器的螺孔处温度为749℃,而双头螺柱目前使用的材料为NiCr20TiAl,国际材料牌号GH4080A,可以长时间耐800℃的高温,该材料的双头螺柱可以满足该处设计的高温要求。另测得相配件耐高温螺母端面处的温度为645℃,而螺母目前使用的材料为X6NiCrTiMoVB25-15-3,国际材料牌号GH2132,可以长时间耐650℃的高温,该材料的螺母可以满足该处设计的高温要求。故耐高温双头螺柱和相配件耐高温螺母材料的选用是合理的,是符合设计要求的。


2.6 相配件耐高温螺母的总体分析


通过观察发现,拆下来的相配件耐高温螺母的法兰支撑面上有凸起的不明物质,如图5所示,用磁铁吸,有磁性,基本判断为铁基类物质。将螺母纵剖,通过硝酸酒精腐蚀,放大200倍后可以看出其组织为珠光体和铁素体,如图6所示。从以上可以判定,相配件耐高温螺母在装配过程中,由于摩擦系数过大,其法兰支撑面已经与涡轮增压器表面发生了黏连,造成螺母在拧出时拧出力矩大于双头螺柱的破坏扭矩从而导致螺柱断裂。


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图5 螺母支撑面上凸起的不明物质


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图6 不明物质金相组织(200X)


3、设计优化


根据原因分析的结果,耐高温双头螺柱发生断裂的主要原因是:相配合的耐高温螺母在装配过程中,由于两者间的螺纹摩擦系数[5]过大,再加上在高温的作用下,引起螺母的法兰支撑面与涡轮增压器表面发生了黏连及螺母的内螺纹与双头螺柱的外螺纹发生了黏连,造成螺母在拧出时拧出力矩大于双头螺柱的破坏扭矩从而导致螺柱断裂。故需要降低双头螺柱及螺母间的摩擦系数。由于目前螺母的表面处理是镀铜,摩擦系数是0.13±0.03,双头螺柱的表面处理是防烧结处理,摩擦系数是0.15±0.03,双头螺柱的摩擦系数比螺母的高,故需要降低双头螺柱的摩擦系数。于是,对双头螺柱进行了以下的设计优化:把双头螺柱的表面处理改成和螺母一致为镀铜,其摩擦系数也改成和螺母一致为0.13±0.03。


4、试验验证


4.1 模拟拆卸试验验证


4.1.1 试验方案


试验方案按照表3的3种方案进行,以验证不同表面处理和摩擦系数下耐高温双头螺柱及螺母的拆卸性能。


表3 台架试验方案

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 4.1.2 试验条件


按照目前实际的装配条件对试验样件按照表3的3种方案按分别进行装配,首先将耐高温双头螺柱的拧入端螺纹拧入到增压器内螺纹中,扭矩为12N·m,再套入增压器垫片,然后拧入耐高温螺母,扭矩为28N·m,如图7和图8所示。高温炉加热温度设定为750℃,放入样件加热完成后,高温炉显示温度为754℃,如图9所示,再把装配好的样件放入高温箱中,如图10所示,分别保温50min及150min后拿出空冷至室温,如图11所示,然后检测耐高温螺母及耐高温双头螺柱的拧出情况,同时检查螺柱螺母的螺纹状态。

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图7 模拟实际装配后状态(方案1和2)

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图8 模拟实际装配后状态(方案3)

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图9 高温炉高温状态显示温度

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图10 750度保温时状态

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图11 空冷至室温时状态

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4.1.3 试验结果


a.试验方案1结果如图12和13所示,耐高温螺母可以从耐高温双头螺柱上顺利拧出,拧出扭矩为44~51N·m;双头螺柱也可以从增压器内螺纹里顺利拧出,拧出扭矩分别为3~6N·m,拧出后螺母和双头螺柱均没有损伤,结果合格。

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图12 方案1拆卸后总体状态

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 图13 方案1拆卸后耐高温螺柱状态


b.试验方案2结果如图14和15所示,耐高温螺母可以从耐高温双头螺柱上顺利拧出,拧出扭矩为45~55N·m;双头螺柱也可以从增压器内螺纹里顺利拧出,拧出扭矩分别为4~7N·m,拧出后螺母和双头螺柱均没有损伤,结果合格。


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图14 方案2拆卸后总体状态

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图15 方案2拆卸后耐高温螺柱状态


c.试验方案3结果如图16和17所示,耐高温螺母无法从耐高温双头螺柱上拧出,螺母与螺柱的螺纹已产生黏连并已相互咬死,双头螺柱也无法从增压器内螺纹里拧出,螺柱与增压器的内螺纹也产生黏连并已相互咬死,结果不合格。


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 图16 方案3拆卸后总体状态


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图17 方案3拆卸后耐高温螺柱状态


通过以上3种试验方案结果的对比,说明把耐高温双头螺柱的表面处理改成镀铜,摩擦系数改成0.13±0.03后,其拆卸性能是可以满足我们的设计要求的。


4.2 发动机台架耐久试验验证


将更改表面处理和降低摩擦系数的耐高温双头螺柱的样件再次搭载在台架耐久试验发动机上,经过533h的循环耐久试验后,耐高温螺母可以从耐高温双头螺柱上顺利拧出,双头螺柱也可以从增压器内螺纹里顺利拧出,拧出后螺母和双头螺柱均没有损伤。经过多台发动机的台架耐久试验验证,均没有再出现拆卸时断裂的不良,结果验证了设计优化的有效性和可靠性。


5、结论


a.耐高温双头螺柱拆卸时断裂失效分析的原因是正确的,说明耐高温双头螺柱的表面处理和摩擦系数尽量能和耐高温螺母保持一致,以保证良好的连接性能和拆卸性能。


b.将耐高温双头螺柱的表面处理和摩擦系数改成和耐高温螺母一致后,成功解决了发动机台架耐久试验后耐高温双头螺柱断裂和难拆卸的问题。


c.耐高温双头螺柱表面镀铜的耐高温后拆卸性能优于表面防烧结处理。

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