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        活塞裙部磨損失效分析

        2022-11-02 08:54:44易國良
        汽車實用技術 2022年20期
        關鍵詞:故障分析

        易國良,歐 陽

        (貴州吉利發(fā)動機有限公司,貴州 貴陽 550000)

        活塞是汽車發(fā)動機動力傳輸?shù)暮诵臉嫾?,它的服役條件非??量?,工作時承受高溫高壓高速的“三高”壓力,因此,對于活塞材質、鑄造工藝等要求非常高。

        某公司制造的汽油發(fā)動機活塞,市場用戶反饋汽車在正常行駛過程中,發(fā)動機出現(xiàn)抖動嚴重、噪聲大等現(xiàn)象,拆機發(fā)現(xiàn)第3缸活塞外表面出現(xiàn)異常磨損,出現(xiàn)材質脫落現(xiàn)象,3缸缸孔也存在異常磨損情況。

        本文通過對故障活塞的宏觀檢查,機械性能檢測,化學成分及金相組織分析,斷口分析等技術手段,找出活塞故障發(fā)生的真因,提出問題解決的建議,避免后期出現(xiàn)同類問題。

        1 原因分析

        1.1 宏觀檢查

        失效活塞的活塞裙部位置,出現(xiàn)部分材質脫離基體現(xiàn)象,宏觀外貌如圖 1、圖 2 所示。

        圖1 故障件宏觀狀態(tài)

        圖2 故障件宏觀狀態(tài)

        將樣品進行線切割處理,截取斷口位置利用顯微鏡進行放大觀察,發(fā)現(xiàn)材質脫落部位斷口呈脆斷特征,內部呈顆粒狀,顆粒之間無磨損情況,如圖3、圖4所示。

        圖3 故障件材質脫落區(qū)域20X

        圖4 故障件材質脫落區(qū)域40X

        1.2 硬度檢測

        將宏觀檢測切割后剩余的部分進行硬度測試,實測數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 實測活塞硬度值

        根據(jù)標準 GB/T 1148—2010,活塞硬度的技術要求為 100 HBW~140 HBW,實際測量硬度為 102.6 HBW,雖然在技術要求范圍內,但是已經接近下限值。

        1.3 化學成分

        試驗采用的是故障活塞原件,材料牌號為BH135,試驗儀器采用德國斯派克SPECTRO MAXx型電火花直讀光譜儀,檢測標準《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》(GB/T 7999—2015),實測化學成分范圍如表2所示。從上述數(shù)據(jù)中可以看出,零件的材質Fe元素超過BH135技術要求。

        表2 活塞化學成分表

        1.4 斷口分析

        切取材質脫離部分的樣塊,經AP760清洗液、超聲波清洗機清洗10分鐘,確保表面油污、雜質清洗干凈后,通過掃描電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)未脫落部位存在裂紋,如圖5所示。

        圖5 掃描電鏡分析

        進一步能譜分析微區(qū)材質,選取樣件典型區(qū)域進行化學成分檢測,如圖6所示,發(fā)現(xiàn)主要含F(xiàn)e元素,含量70%左右,如圖7所示。

        圖6 材質分析區(qū)域

        圖7 微區(qū)材質化學成分數(shù)據(jù)

        1.5 金相分析

        將故障件用線切機進行切割解剖,獲取磨損位置截面;再將樣塊鑲嵌,觀察截面部位金相組織。

        如圖8所示,發(fā)現(xiàn)α(Al)相,塊狀及針狀共晶硅分布較均勻,針狀、魚骨狀的鐵相夾雜較大,最大尺寸達到了400 μm,如圖9所示,根據(jù)《內燃機鑄造鋁活塞金相檢驗》(JB/T 6289—2005)標準進行評級:魚骨狀鐵相夾雜級別為 5 級; 針狀鐵相夾雜級別為 6 級;超過技術要求4級的標準。

        圖8 故障部位金相組織

        圖9 故障部位金相組織

        2 結果分析

        (1)根據(jù)標準 GB/T 1148—2010,硬度應為100 HBW~140 HBW之間。而該活塞的硬度為102.6 HBW,雖然在技術要求合格范圍內,但是已十分接近標準下限值,說明活塞原材料或在熱處理過程可能存在異常。

        (2)從故障活塞的失效部位取樣,經AP760清洗液,用超聲波清洗機清洗10分鐘后,對材質進行光譜分析,從化學成分來看,實測Fe元素0.79%,超過Fe≤0.5%的技術要求。從掃描電鏡能譜分析結果來看,也發(fā)現(xiàn)失效部位存在大量鐵元素。

        (3)從金相組織分析來看,故障件內部存在較大的針狀及魚骨狀鐵相夾雜,最大尺寸達到了400 μm,超過了JB/T 6289—2005中的技術要求。

        3 結論與建議

        通過對失效活塞故障部位進行剖切,專用清洗液超聲波充分清洗,并在預磨時用粗砂紙充分打磨,去除線切割過程熱影響區(qū)后,斷口顯微觀察和斷口掃描,發(fā)現(xiàn)材質脫落部位斷裂呈脆斷特征,進一步硬度、成分分析和金相檢查,發(fā)現(xiàn)雜質元素鐵含量過高,造成合金中產生粗大的魚骨狀和針狀鐵相雜質,脆硬的夾雜在活塞服役條件 下運動受力產生裂紋,最終失穩(wěn)擴展、脫落,造成活塞失效。

        鐵含量超標是造成活塞失效的重要原因之一,對此提出以下改進意見:

        (1)鑄造鋁合金在鑄造過程中,應進行充分的精煉和變質處理,減少雜質元素含量,獲得良好的基體組織,盡量減少基體組織中粗大針狀鐵相雜質對材料塑性的影響。

        (2)鋁合金中針狀Fe相的形成、長大,其實跟冷卻速度和Mn含量密切相關,因此,在活塞鑄造過程中需充分考慮此因素。

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