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            蝸輪頭
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            渦輪增壓器耐高溫雙頭螺柱斷裂問題分析與解決

            2020-08-28

            渦輪增壓器耐高溫雙頭螺柱斷裂問題分析與解決

            1、前言

            近年來,隨著汽車的排放標準及發動機效率的不斷提高,渦輪增壓技術的應用越來越廣泛,渦輪增壓器的工作特點使然,其緊固雙頭螺柱部位的溫度可達750℃,普通雙頭螺柱在如此高溫下會產生蠕變而導致其性能下降、連接失效以及螺紋燒結等不良,從而容易造成拆卸時出現雙頭螺柱斷裂,故這個位置的耐高溫雙頭螺柱的選材及表面處理的選擇尤為重要。

            某汽車發動機在臺架耐久試驗后,進行拆卸渦輪增壓器耐高溫螺母時,把相配的耐高溫雙頭螺柱從渦輪增壓器基體中擰出,耐高溫螺柱全部出現了斷裂。文中對斷裂的雙頭螺柱樣件進行了詳細分析,并對耐高溫雙頭螺柱的技術要求及表面處理進行了設計優化,之后順利通過了模擬拆卸試驗及發動機臺架耐久試驗,實現了批量生產。

            2、原因分析

            2.1 失效耐高溫雙頭螺柱的斷口宏觀分析

            如圖1所示,耐高溫雙頭螺柱的一端螺紋擰入到渦輪增壓器基體上,另一端螺紋與耐高溫螺母配合,失效雙頭螺柱的斷裂位置位于螺母法蘭面下面3到4扣螺紋處。其中的耐高溫雙頭螺柱及耐高溫螺母基本信息如下:雙頭螺柱,規格M8×12×28,機械性能等級10.9級,材料為NiCr20TiAl(鎳基高溫合金材料),表面處理為防燒結處理;螺母:規格M8,機械性能等級10級,材料X6NiCrTi-MoVB25-15-3(Fe-25Ni-15Cr基高溫合金材料),表面處理為鍍銅。

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            圖1 失效螺柱裝配示意圖及斷裂位置


            從圖2失效雙頭螺柱的斷口形貌判斷,耐高溫雙頭螺柱斷裂面微平整,螺紋無明顯拉長,相配件耐高溫螺母螺紋部分有摩擦痕跡,螺母旋出3到4齒螺紋后發生扭矩剪切斷裂。從以上失效雙頭螺柱的宏觀分析,基本判定為耐高溫螺母在旋出時,受過大的擰出力矩導致耐高溫雙頭螺柱斷裂。


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            圖2 失效螺柱斷口近貌

            2.2 失效耐高溫雙頭螺柱的斷口低倍放大分析


            通過失效雙頭螺柱斷口的低倍觀察分析,如圖3所示,其斷口紋路的旋轉方向為順時針,則相配螺母旋轉的方向為逆時針,所以可以判定失效雙頭螺柱是在擰出時發生的斷裂。


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            圖3 失效螺柱斷口低倍放大圖


            另通過失效雙頭螺柱和相配螺母的縱剖面低倍觀察分析,如圖4所示,相配件耐高溫螺母在擰出時與雙頭螺柱發生了螺紋粘連,造成擰出力矩大于雙頭螺柱的破壞扭矩從而導致螺柱斷裂。


              

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            圖4 失效螺柱和相配螺母的縱剖面低倍放大圖


            2.3 失效耐高溫雙頭螺柱的硬度分析


            用維氏硬度計對失效螺柱的芯部進行了硬度測試,測試結果見表1,符合技術要求,判定為合格。


            表1 失效雙頭螺柱芯部硬度測試結果(HV10)


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             2.4 失效耐高溫雙頭螺柱的化學成分分析


            用碳硫分析法和化學分析法對失效螺柱的化學成分進行了測試,測試結果見表2,符合技術要求,判定為合格。


            表2 失效雙頭螺柱化學成分測試結果 %

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            2.5 耐高溫雙頭螺柱和相配件耐高溫螺母材料的選用分析


            通過對實際溫度的測量,配合此耐高溫雙頭螺柱渦輪增壓器的螺孔處溫度為749℃,而雙頭螺柱目前使用的材料為NiCr20TiAl,國際材料牌號GH4080A,可以長時間耐800℃的高溫,該材料的雙頭螺柱可以滿足該處設計的高溫要求。另測得相配件耐高溫螺母端面處的溫度為645℃,而螺母目前使用的材料為X6NiCrTiMoVB25-15-3,國際材料牌號GH2132,可以長時間耐650℃的高溫,該材料的螺母可以滿足該處設計的高溫要求。故耐高溫雙頭螺柱和相配件耐高溫螺母材料的選用是合理的,是符合設計要求的。


            2.6 相配件耐高溫螺母的總體分析


            通過觀察發現,拆下來的相配件耐高溫螺母的法蘭支撐面上有凸起的不明物質,如圖5所示,用磁鐵吸,有磁性,基本判斷為鐵基類物質。將螺母縱剖,通過硝酸酒精腐蝕,放大200倍后可以看出其組織為珠光體和鐵素體,如圖6所示。從以上可以判定,相配件耐高溫螺母在裝配過程中,由于摩擦系數過大,其法蘭支撐面已經與渦輪增壓器表面發生了黏連,造成螺母在擰出時擰出力矩大于雙頭螺柱的破壞扭矩從而導致螺柱斷裂。


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            圖5 螺母支撐面上凸起的不明物質


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            圖6 不明物質金相組織(200X)


            3、設計優化


            根據原因分析的結果,耐高溫雙頭螺柱發生斷裂的主要原因是:相配合的耐高溫螺母在裝配過程中,由于兩者間的螺紋摩擦系數[5]過大,再加上在高溫的作用下,引起螺母的法蘭支撐面與渦輪增壓器表面發生了黏連及螺母的內螺紋與雙頭螺柱的外螺紋發生了黏連,造成螺母在擰出時擰出力矩大于雙頭螺柱的破壞扭矩從而導致螺柱斷裂。故需要降低雙頭螺柱及螺母間的摩擦系數。由于目前螺母的表面處理是鍍銅,摩擦系數是0.13±0.03,雙頭螺柱的表面處理是防燒結處理,摩擦系數是0.15±0.03,雙頭螺柱的摩擦系數比螺母的高,故需要降低雙頭螺柱的摩擦系數。于是,對雙頭螺柱進行了以下的設計優化:把雙頭螺柱的表面處理改成和螺母一致為鍍銅,其摩擦系數也改成和螺母一致為0.13±0.03。


            4、試驗驗證


            4.1 模擬拆卸試驗驗證


            4.1.1 試驗方案


            試驗方案按照表3的3種方案進行,以驗證不同表面處理和摩擦系數下耐高溫雙頭螺柱及螺母的拆卸性能。


            表3 臺架試驗方案

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             4.1.2 試驗條件


            按照目前實際的裝配條件對試驗樣件按照表3的3種方案按分別進行裝配,首先將耐高溫雙頭螺柱的擰入端螺紋擰入到增壓器內螺紋中,扭矩為12N·m,再套入增壓器墊片,然后擰入耐高溫螺母,扭矩為28N·m,如圖7和圖8所示。高溫爐加熱溫度設定為750℃,放入樣件加熱完成后,高溫爐顯示溫度為754℃,如圖9所示,再把裝配好的樣件放入高溫箱中,如圖10所示,分別保溫50min及150min后拿出空冷至室溫,如圖11所示,然后檢測耐高溫螺母及耐高溫雙頭螺柱的擰出情況,同時檢查螺柱螺母的螺紋狀態。

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            圖7 模擬實際裝配后狀態(方案1和2)

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            圖8 模擬實際裝配后狀態(方案3)

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            圖9 高溫爐高溫狀態顯示溫度

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            圖10 750度保溫時狀態

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            圖11 空冷至室溫時狀態

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            4.1.3 試驗結果


            a.試驗方案1結果如圖12和13所示,耐高溫螺母可以從耐高溫雙頭螺柱上順利擰出,擰出扭矩為44~51N·m;雙頭螺柱也可以從增壓器內螺紋里順利擰出,擰出扭矩分別為3~6N·m,擰出后螺母和雙頭螺柱均沒有損傷,結果合格。

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            圖12 方案1拆卸后總體狀態

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             圖13 方案1拆卸后耐高溫螺柱狀態


            b.試驗方案2結果如圖14和15所示,耐高溫螺母可以從耐高溫雙頭螺柱上順利擰出,擰出扭矩為45~55N·m;雙頭螺柱也可以從增壓器內螺紋里順利擰出,擰出扭矩分別為4~7N·m,擰出后螺母和雙頭螺柱均沒有損傷,結果合格。


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            圖14 方案2拆卸后總體狀態

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            圖15 方案2拆卸后耐高溫螺柱狀態


            c.試驗方案3結果如圖16和17所示,耐高溫螺母無法從耐高溫雙頭螺柱上擰出,螺母與螺柱的螺紋已產生黏連并已相互咬死,雙頭螺柱也無法從增壓器內螺紋里擰出,螺柱與增壓器的內螺紋也產生黏連并已相互咬死,結果不合格。


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             圖16 方案3拆卸后總體狀態


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            圖17 方案3拆卸后耐高溫螺柱狀態


            通過以上3種試驗方案結果的對比,說明把耐高溫雙頭螺柱的表面處理改成鍍銅,摩擦系數改成0.13±0.03后,其拆卸性能是可以滿足我們的設計要求的。


            4.2 發動機臺架耐久試驗驗證


            將更改表面處理和降低摩擦系數的耐高溫雙頭螺柱的樣件再次搭載在臺架耐久試驗發動機上,經過533h的循環耐久試驗后,耐高溫螺母可以從耐高溫雙頭螺柱上順利擰出,雙頭螺柱也可以從增壓器內螺紋里順利擰出,擰出后螺母和雙頭螺柱均沒有損傷。經過多臺發動機的臺架耐久試驗驗證,均沒有再出現拆卸時斷裂的不良,結果驗證了設計優化的有效性和可靠性。


            5、結論


            a.耐高溫雙頭螺柱拆卸時斷裂失效分析的原因是正確的,說明耐高溫雙頭螺柱的表面處理和摩擦系數盡量能和耐高溫螺母保持一致,以保證良好的連接性能和拆卸性能。


            b.將耐高溫雙頭螺柱的表面處理和摩擦系數改成和耐高溫螺母一致后,成功解決了發動機臺架耐久試驗后耐高溫雙頭螺柱斷裂和難拆卸的問題。


            c.耐高溫雙頭螺柱表面鍍銅的耐高溫后拆卸性能優于表面防燒結處理。

            活動推薦

            近年來,在汽車多材料混合應用的發展趨勢下,解決異種材料連接過程中的結構設計、接頭力學模型、性能評價、工藝質量控制等一系列產業化的問題迫在眉睫。伴隨著行業對連接技術的高度關注,中國汽車材料網舉辦了2018、2019兩屆“國際汽車輕量化材料連接技術研討會”。匯聚了涵蓋機械連接、焊接、膠接、復合連接等全系統的連接技術供應商資源,為國內外近百家主機廠和零部件廠提供了連接技術交流平臺?;诖诵纬傻募夹g資源,中國汽車材料網組織編制了《汽車材料連接技術手冊》?!妒謨浴访嫦蛐袠I發布以來,獲得了各專家及工程師的一致好評。 “2020(第三屆)國際汽車輕量化材料連接技術研討會”將于3月19-20日舉行。會議將基于汽車新材料應用下連接技術的新需求,共同探討鉚接、粘接、緊固連接、FDS、電焊焊接、攪拌摩擦焊、CMT焊接、電阻點焊等熱點技術。


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            主要議題


            • 十余種連接技術工藝過程、技術特點、適用范圍、應用及供應鏈,以及性能評價和驗證技術。

            • 汽車輕量化多材料連接技術發展現狀

            • 歷年歐洲車身會議/中國車身輕量化會議典型車型連接技術應用情況

            • 超高強度鋼焊接工藝及性能評價

            • 汽車車身鋁板點焊/鉚接工藝及性能表征

            • 異種材料連接接頭力學仿真模型與驗證方法

            • 鋁合金CMT/MIG/ TIG等焊接工藝及裝備

            • SPR/ImpAcT/FSW/拉鉚等機械連接技術在汽車材料連接中的應用探討

            • 新型緊固件連接技術的應用

            • 鋁/鋁,鋼/鋁攪拌摩擦焊,多材料粘接、膠鉚復合接頭性能仿真與驗證技術

            • 連接腐蝕預防與控制技術

            • 激光焊接在汽車輕量化材料連接中的應用前景

            • 全鋁塑料復合材料零部件及碳纖維覆蓋件的連接設計方案

            • 車身、鋼鋁混合輕量化連接技術

            • 新能源汽車電池包連接技術

            • 典型輕量化零部件(鋁合金減震塔、鋁合金副車架、塑料覆蓋件)連接技術解決方案

            • 典型多材料連接工藝裝備及產線解決方案

            • 材料連接接頭質量檢測評估方法與設備


            注:此為會議主要議題,報告內容及專家安排在會前2周確定。


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