饒曉丹

(中國(guó)船級(jí)社大連分社，遼寧大連116011)

0 引言

船用柴油機(jī)活塞是船舶產(chǎn)品檢驗(yàn)的主要零部件之一，它不僅可以反映活塞頂材料制造的冶金過程，而且也對(duì)活塞服役過程的使用性能有重大影響.因此晶粒度則是一項(xiàng)重要的檢驗(yàn)內(nèi)容.現(xiàn)行的活塞頂檢驗(yàn)規(guī)范依照中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》第一篇第五章進(jìn)行［1］，然而不僅現(xiàn)行的修復(fù)活塞沒有晶粒度檢驗(yàn)要求，新加工制作的活塞頂?shù)臋z驗(yàn)規(guī)范中以原材料晶粒度為檢驗(yàn)結(jié)果也缺乏足夠的依據(jù).本文擬對(duì)G32型船用柴油機(jī)活塞頂生產(chǎn)過程中熱處理對(duì)其晶粒度及組織結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析研究，為活塞頂?shù)拇皺z驗(yàn)提供技術(shù)依據(jù)，使其更加科學(xué)合理.

1 實(shí)驗(yàn)方法

活塞頂材料為42CrMoA圓鋼，其化學(xué)成分為:C(0.42%)，Cr(1.05%)，Mo(0.20%)，Mn(0.75)，Si(0.25).活塞頂?shù)闹谱鞴に嚵鞒虨?原料切割—鍛造—粗加工—調(diào)質(zhì)處理—精加工—環(huán)槽淬火—磨削—產(chǎn)品檢驗(yàn).鍛造工藝參數(shù)為始鍛溫度1180℃，鍛造比3.95;熱處理工藝參數(shù)為880℃保溫2 h淬火，540℃回火3 h.

分別對(duì)活塞頂原材料及與其同批次調(diào)質(zhì)處理的原料試樣進(jìn)行晶粒度測(cè)試和組織結(jié)構(gòu)觀察，即將原材料取樣后制成金相樣品，用4%硝酸酒精腐蝕;將與活塞在相同的工藝參數(shù)下進(jìn)行熱處理的試樣制成金相樣品，用由蒸餾水-苦味酸-十二烷基苯磺酸鈉配制成的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕［2］，分別用MM6金相顯微鏡對(duì)二者的晶粒度和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，并在HX-1000維氏硬度計(jì)上測(cè)量了維氏硬度，測(cè)量載荷為100 g，每次測(cè)量均隨機(jī)取三點(diǎn)并計(jì)算出平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

活塞頂?shù)脑蠟椤?10園鋼鍛件，某批次的活塞頂?shù)脑牧系木Я６群徒M織結(jié)構(gòu)的金相觀察結(jié)果見圖1.

由圖1可知，活塞頂?shù)脑牧暇Я４笮〔灰?，晶粒度?～6級(jí).其組織結(jié)構(gòu)由珠光體/鐵素體組成，二者所占比例分別為70%和30%左右，是典型的鍛后空冷組織，且冷卻速度較快.

與原材料不同，熱處理后樣品的組織結(jié)構(gòu)由回火索氏體組成，且較前者細(xì)小致密，表明材料通過熱處理發(fā)生了珠光體/鐵素體—淬火馬氏體—回火索氏體的相變.熱處理后樣品的晶粒度及金相組織如圖2所示.由圖2可知，其晶粒細(xì)小均勻，晶粒度為7～8級(jí).

圖1 原材料晶粒度及金相組織Fig.1 Grain size and microstructure of raw material

圖2 與被檢活塞同爐處理樣品的晶粒度及金相組織Fig.2 Grain size and microstructure of separate sample treated along with pistons tobe inspected

表1與圖3為維氏硬度測(cè)量結(jié)果，由表1的數(shù)據(jù)和圖3的壓痕可見，經(jīng)過熱處理試樣的硬度明顯高于原材料.原材料的平均硬度為HV0.1240.4，而熱處理之后變?yōu)镠V0.1301.7，提高了61.3.通常，材料的硬度與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，熱處理前后硬度的變化與上述組織結(jié)構(gòu)和硬度的變化完全一致.

表1 維氏硬度測(cè)量結(jié)果Tab.1 Vickers hardness measurement

圖3 維氏硬度測(cè)量Fig.3 Vickers hardness

3 分析討論

3.1 熱處理對(duì)活塞晶粒度的影響

晶粒度測(cè)量結(jié)果表明，與原材料相比，材料經(jīng)熱處理后的晶粒度更為細(xì)小和均勻，這無疑是熱處理過程對(duì)晶粒度改進(jìn)的結(jié)果.由鐵-碳相圖可知，42CrMoA鋼在始鍛溫度 (1180℃)時(shí)為粗大奧氏體組織，鍛后自然冷卻過程中發(fā)生相變，由粗大的母相奧氏體晶粒相變后生成的晶粒亦必然較粗大;此外，在連續(xù)冷卻過程中，結(jié)晶的成核與長(zhǎng)大過程在不同的溫度下發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致相變后的晶粒度大小不一，有較大差別.與之相反，熱處理樣品的淬火溫度僅為880℃，在此溫度生成的奧氏體晶粒無疑小于1180℃生成的奧氏體晶粒，因此在淬火回火后生成均勻細(xì)小的晶粒.

3.2 熱處理對(duì)活塞組織結(jié)構(gòu)的影響

由金相觀察結(jié)果可知，活塞原材料為典型的中碳鋼珠光體/鐵素體雙相組織，二者的粗細(xì)及比例會(huì)因終鍛溫度的高低及冷卻速度的快慢而改變.而材料在熱處理過程中，由于淬火奧氏體化溫度較低(880℃)，形成的細(xì)小奧氏體晶粒在淬火處理過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小馬氏體，繼而經(jīng)高溫回火處理后形成細(xì)小的回火索氏體.回火索氏體的綜合性能顯然優(yōu)于珠光體/鐵素體，維氏硬度的測(cè)量結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn).

3.3 冶金質(zhì)量對(duì)活塞頂性能與壽命的影響

之所以對(duì)活塞頂?shù)囊苯鹳|(zhì)量做出嚴(yán)格規(guī)范，是與其運(yùn)行條件密切相關(guān)的.船用柴油機(jī)活塞在高溫、高壓甚至潤(rùn)滑不良的條件下工作，由于直接與高溫氣體接觸，活塞頂部實(shí)際工作時(shí)溫度高達(dá)600～700 K，且分布很不均勻;加之活塞頂部承受很大的氣體壓力，特別是做功行程壓力可高達(dá)6～9 MPa，使活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用;此外，活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度 (8～12 m/s)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化，由此產(chǎn)生的慣性使活塞受到很大的附加載荷［3］.活塞在這種惡劣的條件下運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生變形﹑磨損，而且還受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用.活塞在運(yùn)行過程中的各種損傷除了與運(yùn)行條件有關(guān)，無疑還取決于材料的冶金質(zhì)量，尤其是活塞的晶粒度.

晶粒是材料中具有同一晶向的晶胞的集合，晶粒度是晶粒大小的表征.因?yàn)榫Я６戎苯优c熱加工工藝參數(shù)相關(guān)，所以檢驗(yàn)活塞的晶粒度還可以追溯活塞材料的熱加工生產(chǎn)過程是否合理，如原材料的軋制溫度控制﹑冷卻速度及活塞調(diào)質(zhì)過程的淬火回火溫度與時(shí)間控制.此外，材料的機(jī)械性能及抗腐蝕性能均與晶粒度密切相關(guān)，如著名的Hall-Petch公式表明，材料的屈服強(qiáng)度與其晶粒度的平方根成反比［4］，σs=σi+kD-1/2，式中，σs為多晶體的屈服強(qiáng)度;σi為一常數(shù);大體相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度;k為與材料相關(guān)的常數(shù);D為平均晶粒直徑，即晶粒度.顯然，晶粒愈大，材料的強(qiáng)度愈低.在某些條件下，材料的腐蝕也多發(fā)生在晶界處即晶界腐蝕.因此，正確檢驗(yàn)活塞頂?shù)木Я６?，確保其在規(guī)定的范圍，對(duì)于保證活塞的質(zhì)量和運(yùn)行壽命及安全十分重要.

綜上所述，成品活塞頂?shù)慕鹣嘟M織、晶粒度和硬度均與原材料密切相關(guān)，卻又有較大差異，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后各參量均有改善和提高，因此會(huì)對(duì)同一運(yùn)行條件下活塞的安全運(yùn)行及壽命產(chǎn)生影響，這是在制定活塞頂船檢規(guī)范時(shí)應(yīng)該考慮的.

4 結(jié)論

為了確保船用柴油機(jī)的運(yùn)行安全和使用壽命，對(duì)其零部件生產(chǎn)過程的嚴(yán)格監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量的科學(xué)合理檢驗(yàn)是不可或缺的，本文通過對(duì)G32型船用柴油機(jī)活塞頂檢驗(yàn)過程冶金質(zhì)量的試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:1)船用柴油機(jī)活塞頂?shù)拇皺z驗(yàn)由幾何尺寸的度量和材料的冶金質(zhì)量鑒定兩部分組成，二者均會(huì)影響活塞的安全運(yùn)行及使用壽命.2)活塞頂材料的冶金質(zhì)量包括組織結(jié)構(gòu)、晶粒度及硬度，在活塞頂?shù)臒峒庸み^程中上述冶金參量均發(fā)生明顯變化.3)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，活塞頂?shù)慕鹣嘟M織由珠光體/鐵素體變?yōu)榛鼗鹚魇象w;晶粒度由4-6級(jí)變成7-8級(jí);維氏硬度由240.4提高至301.7.4)上述活塞頂冶金參量在加工過程的改變說明，使用現(xiàn)行船檢規(guī)范中的原材料冶金質(zhì)量檢驗(yàn)已不能準(zhǔn)確代表成品活塞頂?shù)囊苯鹳|(zhì)量，因此建議將其修訂為檢驗(yàn)與活塞頂同批次調(diào)質(zhì)處理試樣的冶金參量.

［1］中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［2］羅宏.珠光體耐熱鋼調(diào)質(zhì)處理后的晶界顯示 ［J］.金屬熱處理，2005，30(12):91-92.

［3］杜榮銘.船舶柴油機(jī)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，1997.

［4］趙杰.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2010.