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2018年12月，我公司生产的某型柴油机在进行1000h耐久试验过程中，当连续运行982h时，B10缸排气温度由500℃突降至100℃（在同一环境条件下110%工况时该缸排温约为520℃），触发越限报警，停车拆机检查，发现该缸高压喷油泵摇臂总成发生失效。
1.失效概况 摇臂总成由滚轮、滚轮销、滚轮衬套、摇臂等零部件组成。柴油机在运行过程中，高压油泵柱塞通过摇臂总成由凸轮轴驱动上下往复运动，将燃油供向喷油器。燃油滚轮、滚轮衬套、滚轮销之间均为间隙配合，由润滑油强制润滑。 根据B10缸现场拆解可知：摇臂总成发生失效，其中燃油滚轮碎裂为4块，滚轮销沿中心油孔平整断裂；滚轮衬套与燃油凸轮表面有异常磨损，滚轮销挡圈完整，如图1所示。由于滚轮为脆性断口，滚轮销宏观可见疲劳条带，故初步确定滚轮销为首断件，滚轮为受害件。经查滚轮销为外协采购件。 图1 滚轮、滚轮销断裂宏观形貌 2. 断口分析 （1）滚轮 滚轮的内表面有严重的摩擦损伤痕迹，对其4个断口进行电镜扫描发现，断裂均为一次性脆性断裂，断口宏观形貌如图2所示。化学成分、金相组织、硬度检测均正常。 图2 滚轮断口宏观形貌 （2）滚轮销 滚轮销油孔内壁宏观形貌具有明显差异，从外向内3mm深度范围的孔壁存在许多具有金属光泽的瘤状物，烧熔明显，非冷加工痕迹，其余部分为机械加工面，如图3所示。 图3 滚轮销断口宏观形貌 滚轮销断口平齐，可见清晰的贝壳花样；从贝壳花样的扇形区面积及指向判断，油孔壁距外缘约1.90mm处最先开裂，即为裂纹源区。 对裂纹源区进行微观观察，源区Ⅰ低倍形貌中裂纹扩展棱线清晰可见，源区附近孔壁有结晶特征和大量凹坑，裂纹起源于凹坑处。裂纹扩展区，对应图3中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，断口形貌可见，随着裂纹扩展，断口逐渐变粗，二次裂纹增多，疲劳裂纹增多，裂纹间距明显增大。最后断裂区，对应图3中的V区，断口形貌以韧窝为主，韧窝具有剪切特征，断口靠近试样边缘部位的形貌出现沿晶断裂特征。
滚轮销断口电镜形貌显示，裂纹起源于距外缘约1.90mm的油孔内壁处，在油孔内表面熔蚀处发现多处微裂纹，该裂纹为熔融状态下结晶所致，工件在长期承受交变应力作用下，裂纹源进一步向中心扩展，继而引起疲劳断裂。如图4所示。 图4 滚轮销断口微观形貌 （3）滚轮销断口能谱检测 对滚轮销断口（裂纹源距外缘约1.90mm）进行能谱检测 ，如图5所示，共检测3个点，结果如表1所示。检测结果表明，油孔烧蚀表面（见图5d谱图3）Cu含量为0.48%（质量分数），Cu元素明显不同于断口的源区和扩展区。 图5 能谱分析 表1 滚轮销断口能谱检测结果（质量分数） （%）
3. 滚轮销比对检测 对断裂滚轮销与我公司自制滚轮销解剖进行对比分析，宏观上断裂件油孔内无渗碳层，油孔和油槽偏移（中心线未相交，见图6a）；自制件油孔有渗碳层（见图6b），油孔与油槽位置准确；断裂件油孔上部有烧蚀痕迹，内壁有金属光泽（见图6c）；自制件油孔上部未见烧蚀痕迹，内壁有氧化色（见图6d）。 （a）断裂件油孔表面 （b）自制件油孔表面 （c）断裂件油孔放大 （d）自制件油孔放大 图6 宏观形貌 金相组织检测断裂件表面硬化层为粗大马氏体（见图7a）；自制件表面硬化层为马氏体组织（见图7b）；心部为铁素体+珠光体，硬度27HRC（见图7c）；心部为马氏体+少量未溶铁素体，硬度43HRC（见图7d）。 （a）断裂件表层组织 （b）自制件表层组织 （c）断裂件心部组织 （d）自制件心部组织 图7 微观组织形貌 断裂件与自制件的宏观形貌及微观组织、心部硬度存在明显差异，表明断裂件与自制件热处理工艺及机加工工序不同。
4. 滚轮销图样符合性检查 （1）滚轮销外径要求mm，实测φ23.96mm，符合图样要求。 （2 ）滚轮销材料17CrNiMo6，故障滚轮销化学成分分析结果如表2所示，符合标准要求。 表2 断裂滚轮销化学成分（质量分数） （%） （3）滚轮销表面渗碳、淬火处理，硬化层深要求1.7～2.0mm，实测1.80mm；符合图样要求。 （4）滚轮销表面硬度要求61HRC±2HRC，实测61HRC，符合图样要求。
5. 分析与讨论 我公司自制件油孔表面渗碳，渗碳层为马氏体组织，心部为马氏体+未溶铁素体（硬度43HRC），经查后工艺确定自制件为先加工油孔，然后渗碳、整体盐浴淬火。 外购断裂件的油孔内部两侧无渗碳，表明油孔为渗碳工序后加工；表层为粗大马氏体组织，心部为高温回火组织（铁素体+珠光体，硬度27HRC），应为渗碳后表面感应淬火工艺。 感应淬火后滚轮销表面硬化形成硬壳，实测硬度61HRC，再进行普通的机加工钻孔难度较大；采用电火花加工打穿表面硬壳，然后采用常规方法进行深钻完成油孔的加工。正是由于采用电火花加工方法，导致电火花烧蚀部位产生大量微小裂纹，在后续的使用过程中受交变应力作用，裂纹进一步发生扩展直至滚轮销断裂失效。 电火花加工的电极为纯铜，导致烧熔区Cu元素为0.48%（材料要求≤0.30%，质量分数）。加工时定位不准确，产生油孔与油槽位置偏移，对滚轮、滚轮衬套、滚轮销之间润滑不利。 表面感应淬火工艺，造成滚轮销心部硬度低，心部强度不足，影响零件服役寿命。
6. 生产过程调查 经追溯调查，该滚轮销的制造商承认，制造时未按图样执行工艺，采用了感应淬火+电火花加工的手段，虽然满足了符合图样的尺寸、表面硬度等检测要求，但存在严重质量隐患。
7. 结论及建议 综上分析，由于滚轮销疲劳断裂，运动副之间润滑不良、滚轮运动轨迹改变，进而滚轮碎裂导致摇臂总成失效。滚轮销疲劳断裂直接原因是由于油孔处电火花加工产生的微小裂纹引起。 现阶段零件制造市场的现状是，承接外协外购零件制造的厂商良莠不齐，注重冷加工，不重视热加工；生产设备和手段不健全，可能出于经济效益等原因随意更改成熟的工艺路线；追求几何尺寸满足图样要求（冷加工形似），忽视热加工对零件内在品质所起的关键作用。 针对外协外购零件建议： ①严格执行首件鉴定制度。 ②建立零件不定期抽检制度。③加强监管，严格执行工艺纪律，加强工艺管理。
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