发动机气门弹簧失效分析

赵芳，刘彦甫，唐会鹏，刘志国

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)



发动机气门弹簧失效分析

赵芳1,2，刘彦甫1,2，唐会鹏1,2，刘志国1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

对某型号发动机的气门弹簧断裂问题进行研究。通过对断裂弹簧进行硬度检测、材料成分测定、金相组织检测以及断口分析，查找发动机气门弹簧断裂原因。结果表明：该型号发动机气门弹簧断裂原因为气门弹簧表面缺陷。

气门弹簧；断裂；失效分析；表面缺陷

0 引言

气门弹簧一般由气门弹簧座、弹簧保持架和气门锁块固定，用来保证气门在进气与排气过程中精确地开启与关闭。目前，气门弹簧可分为等节距气门弹簧(如图1)、一端可变节距气门弹簧、两端可变节距气门弹簧。随着汽车技术的发展，气门弹簧的作用也日益明显，气门弹簧性能的好坏直接决定了发动机配气系统性能的好坏，而发动机配气系统直接影响着发动机的性能。因此，研究气门弹簧的失效形式和失效原因，对于改善发动机的整机质量有着至关重要的作用。

图1 等节距气门弹簧

1 气门弹簧故障案例

某型号发动机在整车道路测试过程中出现异响且熄火后启动异常，拆解发动机后发现排气侧第7个气门弹簧断裂。故障零件如图2所示。

图2 某型号发动机气门弹簧故障件

断裂是气门弹簧的常见失效形式之一，致使气门弹簧断裂的原因主要有以下几方面：

(1)发动机工作过程中气门弹簧过载；

(2)气门弹簧零件表面有损伤或缺陷；

(3)气门弹簧材料微观组织有缺陷；

(4)气门弹簧材料内部有夹杂。

为明确气门弹簧的真实失效原因，分别对该气门弹簧进行了硬度检测、金相检测、材料成分检测、断口分析、能谱分析等工作。

1.1 硬度检测

在断口附近进行取样，制作检测样块，使用维氏硬度计对故障气门弹簧进行硬度检测，其基体硬度检测结果为：HV522.2、HV544.4、HV518.3，平均硬度为HV528.3,正常。

1.2 金相检测

委托理化部门对故障弹簧进行金相检测，抛光态金相组织如图3所示，无明显夹杂，腐蚀态组织如图4所示，弹簧边缘无脱碳，组织为回火索氏体。

图3 抛光态(100×)

图4 腐蚀态(500×)

1.3 材料成分检测

对失效弹簧进行成分分析，结果如表1所示，符合要求。

表1 弹簧各元素含量表 %

1.4 断口分析

断口附近无明显塑性变形，但存在狭小崩裂。在电子显微镜下，其断口形貌如图5所示。

图5 断口形貌

其中图5(a)中标记位置为裂纹起始位置，图5(d)为图5(c)中标记位置的放大显示。在裂纹起始点可以发现明显的表面缺陷，在断裂点的凹坑处发现有金属异物。

1.5 能谱分析

在故障气门弹簧断口处取样，进行能谱分析，发现金属异物材料成分主要为钨和钴，不是气门弹簧材料所属成分，如图6所示。

图6 能谱分析

2 结果分析

故障气门弹簧的硬度检测、金相检测、化学成分检测结果均正常，说明气门弹簧断裂的原因与材料的材质无关。

从断口分析中可以发现：金属异物结构覆盖了气门弹簧表面的马氏体结构，初步可以判定钢丝在成型之后受到金属物质

的撞击，导致气门弹簧表面缺陷。

通过能谱分析结果可以得知：金属异物的主要成分为钨和钴。而钨和钴为硬质合金的主要成分，主要来源于刀具。

进一步调查得知，该故障气门弹簧生产批次过程中，弹簧卷制工序(切断弹簧钢丝)的切刀出现异常，因此，可以确定该气门弹簧的流出工序。

3 结论

通过此次分析不难发现，造成此次发动机故障的直接原因为气门弹簧断裂失效。气门弹簧断裂失效的主要原因为弹簧表面因异物损伤导致的表面缺陷。

但剖析此次发动机故障的根本原因，不难发现是现场管理问题。在卷制工序出现异常的情况下，未对异常问题进行严格对待，没有对隐患气门弹簧进行排查及加严控制。

因此，在坚持不懈地改善和提高气门弹簧本身质量的同时，也应该注意生产现场的管理，真正做到生产过程中故障零件的“不接受、不制造、不流出”的三不原则。

【1】刘宝昌,王红梅.发动机气门弹簧断裂失效分析[J].林业机械与木工设备， 2010,38(6):30-32.

【2】杨永生,曹淑芬.气门弹簧断裂分析[J].理化检验:物理分册,2005,41(z1):427-429.

【3】李炯辉,林德成,丁惠麟,等.金属材料金相图谱[M].北京:机械工业出版社，2006．

【4】潘存福,梁树生.C14发动机气门弹簧断裂问题分析[J].企业科技与发展,2015(1):42-43.

FailureAnalysisofEngineValveSpring

ZHAOFang1,2,LIUYanfu1,2,TANGHuipeng1,2,LIUZhiguo1,2

(1.Research&DevelopmentCenterofGreatWallMotorCompany,BaodingHebei071000,China;2.AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebei,BaodingHebei071000,China)

Thefractureofvalvespringinsomeenginewasresearched.Bymeansofhardnessmeasurement，chemicalcompositionanalysis，metallurgicalanalysisandfracturesurfaceanalysisforthefracturedvalvespring,thefailurecauseswereanalyzed.Theresultsshowthatthefracturecauseofthevalvespringissurfacedefect．

Valvespring；Fracture；Failureanalysis;Surfacedefect

2015-11-26

赵芳(1985—)，女，学士，现主要从事发动机质量管理与试验验证。E-mail：zhaofang_178@126.com。

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