某车型发动机电子水泵卡簧失效原因分析

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　　摘 要：相比较传统车用机械水泵，电子水泵除了结构简单外，还具有节能环保的特点。然而电子水泵在使用过程中容易出现一些故障，卡簧失效是常见故障原因之一。在问题发生后，我们应选择专用检测设备，从断口形貌、金相组织等方面进行分析和对比，找出失效原因并提出解决方法。
　　关键词：电子水泵;卡簧;失效
　　中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）10-119-03
　　Abstract： Compared with traditional mechanical pumps， electronic pumps have the characteristics of energy saving and environmental protection.Electronic water pump is prone to some failures during use， Snap spring failure is one of the common causes of failure. We should choose special testing equipment to analyze and compare the fracture morphology and metallographic structure.And identify the cause of the failure and propose a solution.
　　Keywords： Electronic water pump; Circlip; Invalid
　　CLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）10-119-03
　　1 前言
　　随着国家对汽车环保的要求越来越高，涡轮增压发动机的使用越来越广泛。涡轮增压发动机上的水泵需要既能在发动机运转的情况下提供冷却液，又能在发动机停止运转的情况下给涡轮增压器提供冷却所需的冷却液。而这是机械水泵无法实现的。因而电子水泵应时而生。
　　在用户使用中，电子水泵可能因为电路板失效、机械零件配合尺寸不良等原因引起故障，这就需要质量检验工作者通过实验分析，找出故障原因，提高产品可靠性。如某品牌车辆，发动机报水温故障报警，经排查后发现为发动机电子水泵转轴上的止推垫断裂后卡住叶片无法旋转，导致冷却液流量过小无法满足冷却要求所致。为了进一步对比分析失效产生的原因;我们收集了故障件3件（批次号分别为2件A和1件B）、2018年的封样水泵（批次号：C）1件以及2016年封样水泵（批次号：D）1件，使用专用的材料实验设备对，从断口形貌、金相组织等方面着手开始找出根本原因。
　　2 实验描述
　　为了找到断裂的根本原因，我们分别使用了下列设备：
　　（1）超景深三维显微镜。它是集体视显微镜、工具显微镜和金相显微镜于一体，可以观察传统光学显微镜由于景深不够而不能看到的显微世界。具有独特的环形照明技术，并配有斜照明、透射光和偏振光，并能满足一般的金相照片拍摄、宏观的立体拍摄和非金属材料的拍摄。
　　（2）激光共聚焦显微镜。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔，焦平面以外的点不会在探测针孔处成像，这样得到的共聚焦图像是标本的光学横断面，克服了普通显微镜图像模糊的缺点。
　　（3）显微维氏硬度计。在屏幕上能显示试验方法、试验力、试验力保荷时间、测量次数等，操作时只要从薄膜键盘输入压痕对角线长度，内置计算器自动计算出硬度值并显示在LCD屏上。
　　2.1 断口形貌分析
　　将零件进行编号为1#、2#、3#、4#、5#件，零件1#-3#为失效件;4#、5#为未失效件。失效件的失效部位及断口宏观形貌，见表1;可见，断裂位置均处于零件圆弧细窄处，断口较为平齐，无明显塑性变形，断面遍布发光小刻面，局部有覆着物。
　　将1#件置于电镜下观察断口，微观断口整个断面为新鲜干净的冰糖状沿晶形貌，夹杂少部分解理形貌，为典型的脆性断裂特征（见图7、8、9所示），在断口四周边缘处发现覆着物，覆着区和未覆着区界限分明，判断覆着物可能为外来物，见图10、11所示。在卡簧外壁发现约宽度10μm的条形韧窝区，该区为瞬时断裂区（见图12）。
　　对覆着物区域进行能谱分析，发现该区的主要元素为Fe、Cr、Si、O、Al，沒有发现异常的腐蚀介质（见图13）。说明该零件未被腐蚀。
　　2#和3#件宏观及微观断口和1#件宏观形貌及微观形貌基本一致，断面为沿晶形貌+极少解理形貌，未发现韧窝区域。在断面多处发现覆着物，覆着区和干净断面界限明显，对断面覆着区进行能谱分析，也发现元素Fe、Cr、Si、O、Al等，未见异常腐蚀介质。说明这两个零件也未被腐蚀。
　　2.2 金相及硬度对比分析
　　从1#件、2#件、3#件，止推垫上取样观察金相组织，金相组织均为回火马氏体+碳化物，失效件的块状碳化物比4#和5#件的封样样件要少，除此之外金相未发现其它异常。见表2。
　　依据零件图纸要求，测试1#件、2#件及4#件、5#件止推垫的硬度，结果见表3。两个批次的失效件硬度均比封样样件要高。
　　3  讨论分析
　　3.1 三件失效零件的断口均呈冰糖状沿晶形貌
　　沿晶特征遍布整个断面的绝大部分区域，这是典型的脆性断裂的特征。而该零件正常受外力断裂的微观形貌为解理+韧窝。所以可以排除零件受外力断裂的可能。
　　3.2 整个断面为脆断
　　这种脆断在卡簧装配时未发生，在卡簧装上水泵后，发生断裂，是典型的延迟断裂。 　　3.3 该零件为马氏体不锈钢
　　经淬火+回火处理，硬度较高，造成其发生延迟脆断的主要有以下可能：
　　（1）应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂必须满足三个条件，对应力腐蚀敏感的组织+拉应力+敏感的腐蚀介质，且断面有腐蚀特征，能谱对覆着物分析，未发现其发生应力腐蚀的敏感介质，可排除这个可能。
　　（2）氢脆：氢脆断裂发生的三个必要条件为拉应力+高硬度的组织+氢。且沿晶断面上会有明显的氢脆特征（如二次裂纹+显微孔洞+鸡爪纹）等。该失效件微观断面上无氢损特征，且该零件为耐蚀耐酸的不锈钢，没有经过电镀处理等，没有氢的来源，故也可排除这个可能。
　　（3）金属脆：比如Cr脆、Cu脆，断面的晶界上均未发现异常的金属偏聚，也可排除这个可能。
　　（4）组织应力或回火不足：组织应力和回火不足均会造成高硬度零件的延迟断裂，而故障件批次零件的硬度均高于老批次的零件，所以很可能是因为热处理不良或回火不足造成零件的脆断。本项验证需要获得热处理工艺信息。
　　3.4 断面上的覆着物，为外来物
　　不锈钢的腐蚀以点腐蚀为主，如果是零件本身发生腐蚀，锈迹很难去掉，且去掉后在基体上可发现明显的腐蚀坑。失效零件外侧覆着物可用手擦掉，且擦掉后基体无腐蚀痕迹。断面上大部分区域为干净的新鲜断面，没有任何氧化特征，覆着物在断面上随机分布，和新鲜断面有明显的界限，与正常腐蝕断口有较大差异（同样环境下腐蚀一定会在整个断面发生），可排除零件本身腐蚀的可能。
　　从供应商现场排查结果来看，未装配的零件没有发现覆着物，装上泵后，表面覆着有润滑脂，润滑脂干涸后覆着在零件表面和断面，形成类似红锈痕迹。
　　综上所述，零件的断裂为延迟脆性断裂，导致其发生的原因主要是存在回火不足或存在较大的组织应力，在装配后，应力延迟释放，使零件发生断裂。延迟断裂的特性决定，装配时未发现裂纹的零件，装配后零件仍有较大的断裂风险。
　　4 结论
　　4.1 失效件及老批次零件的硬度均符合要求
　　但失效批次零件的硬度明显高于老批次零件;因此老批次零件的热处理工艺和新批次不同，建议供应商仍然使用老批次热处理工艺。在实际工作中，我们发现，热处理材料由于批次间的差异，供应商可能对热处理工艺在工艺范围内进行调整，结果导致零件硬度波动较大，进而导致电子水泵卡簧的韧性较差，产生不合格品。
　　4.2 失效件的断裂为延迟脆性断裂
　　零件的热处理不良是造成其发生延迟脆断的主要原因。因此，建议生产厂家在调整工艺时，要多做工艺验证及零件装配后的性能要求实验。以更好的满足主机厂要求，降低不合格品率，提高用户满意度。
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