輕12－180型柴油機副連桿銷冷裝后尺寸脹大原因分析

王林英，韋小芳

(1.91202部隊，遼寧 葫蘆島 125000;2.4808工廠威海修船廠，山東 威海 264200)

輕12－180型柴油機副連桿銷是連接主連桿與副連桿的一個非常重要的零件，一旦發(fā)生故障，若不能及時發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)運轉，必將導致副連桿斷裂、機體破損，發(fā)生柴油機整機報廢的大事故甚至傷害到柴油機操縱、監(jiān)控人員。該柴油機修理工藝對副連桿銷及與其相關零件的裝配有著嚴格的規(guī)定。其與主連桿凸耳銷孔是過盈配合，圖紙規(guī)定裝配過盈量為－0.035～－0.014mm;與副連桿青銅襯套是間隙配合，圖紙規(guī)定間隙量為0.075～0.103mm。

1 故障現(xiàn)象

某艇輕12－180型柴油機主機修后進行臺架試驗，工況試驗至1200 r/min、221kW時，檢查滑油過濾器發(fā)現(xiàn)有少量銅屑。清洗過濾器清除銅屑，繼續(xù)試驗至1500 r/min、515kW時，再次檢查滑油過濾器仍有少量銅屑。判斷柴油機存在故障，吊回車間分解檢查，拆檢發(fā)現(xiàn)第4缸副連桿銷端有過熱變色現(xiàn)象，拆出副連桿銷和青銅襯套發(fā)現(xiàn)兩者有較嚴重的粘著摩擦痕跡，即副連桿銷和青銅襯套燒損。

2 副連桿銷和襯套燒損原因分析

2.1 副連桿銷和襯套材料及裝配要求

副連桿銷材料為18Cr2Ni4WA(簡稱18CrNiWA)，合金滲碳鋼，滲碳層深1.4～1.8mm，表面硬度HRC≥58。青銅襯套材料為QSn7－0.2，原材料經(jīng)冷拔后制作毛胚，表面硬度HB≥170。

副連桿銷與主連桿凸耳銷孔之間是過盈配合，為便于裝配，工藝要求將主連桿在滑油中加熱至110～120℃，并將副連桿銷在液氮 (－196℃)中冷凍15min左右。

2.2 原材料分析

對分解后的副連桿銷取樣進行化學分析，其主要化學成分見表1，材料符合GB/T 3077－1999中對18Cr2Ni4WA的要求。

表1 主要化學成分表 %

2.3 幾何尺寸分析

測量副連桿銷外徑尺寸，其外徑尺寸由45.015mm增大到45.045mm，外徑增大0.030mm。對其工作狀態(tài)下的運動副尺寸分析計算如下。

1)高溫導致副連桿銷外徑尺寸脹大。

隨著柴油機持續(xù)長時間的工作，多種因素導致副連桿銷工作溫度升高，最高時可達約80～100℃左右，溫度的升高使連桿銷外徑尺寸脹大，經(jīng)理論計算，副連桿銷溫度達到80～100℃時，外徑尺寸脹大約0.030～0.040mm。

2)高溫導致青銅襯套內(nèi)徑尺寸縮小。

與副連桿銷一樣，青銅襯套以及副連桿銷孔也會隨著溫度的升高而脹大，但由于襯套材料為QSn7－0.2，副連桿材料為18Cr2Ni4WA，QSn7－0.2熱脹系數(shù)大于18Cr2Ni4WA，襯套的脹大量大于副連桿銷孔的脹大量，然而襯套的脹大卻受到了副連桿的制約，其內(nèi)徑不能脹大、只能縮小，經(jīng)理論計算，當襯套溫度達到80～100℃時，綜合作用的結果內(nèi)徑尺寸縮小約0.010～0.020mm。

上述兩個因素導致的尺寸變化在柴油機設計時已經(jīng)考慮，正常情況不會影響柴油機的工作。

3)低溫導致副連桿銷外徑尺寸脹大。

裝配工藝要求對副連桿銷進行液氮冷凍15min，為了證實是否是在冷凍時導致外徑尺寸脹大，我們將新的副連桿銷在液氮中冷凍約15min后，升溫至室溫時測量外徑尺寸，比冷凍前脹大約0.015～0.030mm。再加熱至100℃后，自然冷卻至室溫時測量外徑尺寸，尺寸未發(fā)生變化。說明裝配過程中冷凍低溫導致了副連桿銷的尺寸脹大。

綜合以上3個因素，工作狀態(tài)時副連桿銷與銅套的實際最小間隙為 0.085－0.040－0.020－0.030= －0.005mm，即實際工作狀態(tài)下出現(xiàn)了過盈。由于第1)、2)項的尺寸變化與溫度成線性關系，與柴油機隨著轉速和功率的增大、溫度逐漸升高相符，即低負荷時工作正常，高負荷使運動副間隙消失，導致潤滑失效發(fā)生磨損故障。

3 副連桿銷冷凍后尺寸脹大原因分析

該連桿銷為外協(xié)產(chǎn)品，熱處理由外協(xié)廠家實施，廠家提供了工藝流程及工藝曲線。

1)工藝流程。

裝爐—升溫 (排氣)—保溫強滲—擴散—試棒檢測滲層—降溫—820℃保溫—出爐淬火 (油冷)—硬度檢測—低溫回火—硬度檢測。

2)工藝曲線，見圖1。

圖1 原熱處理工藝曲線

3)18Cr2Ni4WA鋼的熱處理特點。

18Cr2Ni4WA鋼是一種合金元素含量比較高的滲碳鋼，它的特點:①大量鉻、鎳、鎢等元素的加入，抑制了過冷奧氏體的珠光體轉變，使其具有很高的淬透性，這類鋼件直徑在200mm以下可完全淬透，甚至可以空冷淬火;②含有大量降低Ms點(馬氏體開始轉變點)和Mf點 (馬氏體轉變結束點)的合金元素，特別是滲碳后由于碳是強烈降低Ms、Mf點的元素 (見圖2)，如果在滲碳后降溫直接淬火，由于表面層的Ms點已由約310℃降至75℃以下，Mf點也已降至0℃以下，因此淬火后表面層的組織為馬氏體和大量的殘余奧氏體，低溫回火后，雖然極少量的殘余奧氏體發(fā)生了分解，轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體，但仍有大量的殘余奧氏體保留了下來，這些殘余奧氏體為不穩(wěn)定組織，一旦外部因素滿足了奧氏體轉變的條件，就會繼續(xù)發(fā)生馬氏體轉變。

圖2 碳含量對Ms點及Mf點的影響

為了減少鋼中殘余奧氏體的量，常用的辦法是滲碳以后進行長時間的高溫回火，以使碳化物生成元素在碳化物中聚集，這樣在加熱時來不及溶入奧氏體中，使奧氏體中的碳和合金元素含量減少，從而使Ms點和Mf點升高，以此達到減少殘余奧氏體量的目的;也可以采用在淬火以后冷處理的方法有效地減少鋼中的殘余奧氏體量。

對原處理工藝進行分析后可以看出，該工藝缺少一個重要的步驟，即減少殘余奧氏體量的高溫回火或冷處理，致使?jié)B碳層中殘存了大量的殘余奧氏體，而在后續(xù)的裝配過程中零件又需要在液氮(－196℃)中冷凍，在冷凍過程中，零件的尺寸受到兩個方面因素的影響:①因熱脹冷縮效應引起的尺寸收縮;②因馬氏體與奧氏體比容的不同(馬氏體比容大于奧氏體比容)，由組織轉變引起的尺寸脹大。而綜合作用的結果是冷縮的量大于組織轉變的量，因而在低溫時副連桿銷的實際尺寸是縮小了，使裝配順利進行，然而待副連桿銷溫度升至室溫時，由于冷縮效應消失，表現(xiàn)出來的就只有因組織轉變造成的尺寸脹大效應了。

4 改進措施及效果

根據(jù)該鋼的特點，結合副連桿銷裝配工藝的特殊情況，我們將原工藝進行了修改，在原工藝的基礎上增加了在液氮中冷凍30min的工序，考慮到零件表面的耐磨性及硬度要求，將原回火溫度由250℃保溫3 h改為180℃保溫4 h，見圖3。廠家依據(jù)改進后的工藝對副連桿銷進行了處理，對經(jīng)改進后工藝處理的副連桿銷進行冷凍試驗后證實，尺寸未發(fā)生任何變化，證明改進措施有效。

圖3 改進后熱處理工藝曲線

5 總結

超期服役艦船延壽修理是艦船裝備使用中一項重要而又靈活的策略，它能有效緩解和解決一些艦船老齡化、新造艦船滯后以及某些特殊艦船設計建造周期長等問題。而超期服役艦船延壽修理面臨的首要問題之一是原裝備及配件生產(chǎn)廠多已停產(chǎn)或轉產(chǎn)，維修用配件極端短缺。充分挖掘人員、技術潛力，開展斷線配件研制，既是及時有效地修復超期服役艦船裝備，確保其預期用途的最佳途徑，也是裝備保障企業(yè)所面臨的重要課題。由于斷線配件安裝、使用的特殊性和局限性，在研制中，既要充分論證新老配件材料的可替代性，更要從安裝、使用的角度充分論證和試驗配件的環(huán)境適應性以及可靠性、耐老化性等。