4A11活塞裙鍛件表面缺陷分析研究

南粉妮

我公司自2000年以來，一直在生產某型柴油機4A11鋁活塞裙鍛件，產品質量穩定。但在2014年，我公司有一批活塞裙零件，在粗加工后發現零件表面出現大量花斑，為確定缺陷性質，進一步改善活塞裙鍛件質量，避免此缺陷的重復發生，對缺陷部位進行了分析研究。

1.試驗過程及結果

從表面局部發灰的10件中抽取1件較嚴重活塞裙，從目視缺陷嚴重處切取和制取試樣，分別對缺陷部位進行化學成分分析、硬度檢驗、低倍觀察及分析。

（1）鍛件宏觀缺陷分析 對缺陷進行宏觀照片觀察（見圖1、圖2），從圖1、圖2中可看出，在活塞表面存在部分顏色發灰區域，與其他正常部位存在明顯差異。

（2）硬度分析 由于缺陷部位較大，我們對鍛件灰色區域取多個點進行硬度檢測（見圖3），從上中下3個部位分別測量。

檢測結果如表1所示，從表1的灰色區域測量的硬度值，表2的正常區域測量的硬度值可以看出，灰色缺陷部位硬度明顯低于正常部位。

圖1

圖2

圖3

表1 灰色區域測量的硬度值 （HBW）

表2 正常區域測量的硬度值 （HBW）

（3）成分分析 分別對灰色缺陷部位和正常部位試樣進行成分分析如表3所示，從表3可以看出，化學成分幾乎沒有區別，符合GB/T3090要求。

（4）低倍缺陷評級 按照GB/T3246標準對灰色缺陷區域的表面和縱截面進行低倍酸洗檢驗，進行晶粒度評級（見圖4、圖5）。

通過外表面低倍試驗和與晶粒度級別判定標準GB/T3246對照確定，局部晶粒度為7級，通過縱截面低倍試驗和與晶粒度級別判定標準GB/T3246對照確定，晶粒度7級，粗晶帶最深超過10mm。

2.缺陷討論分析

（1）灰色缺陷本質 灰色部位是由于該部位晶粒與基體晶粒大小差異較大，晶粒粗大造成了該處硬度降低。

（2）粗晶缺陷形成機理 粗晶產生機制：金屬經過塑性變形后自由能提高，組織處于不穩定狀態，當將其加熱到適當溫度時重新形成晶核并長大。如果加熱溫度正利于晶粒長大或加熱保溫時間過長，晶粒會長大形成粗大晶粒。晶粒長大分為兩種類型，一種是逐漸長大，表現為各個晶粒之間的相對大小比較接近；另一種是反常長大，表現為各個晶粒間的相對大小極為懸殊，有的晶粒長得非常大。在鋁合金模鍛件粗晶缺陷中，出現晶粒反常長大的幾率較大。

（3）粗晶缺陷因素分析 鋁合金模鍛件的粗晶缺陷與鍛件的材質、鍛造工藝參數、鍛件形狀、模具溫度、熱處理工藝參數、模具表面粗糙度等因素有關。

（4）分析調查 通過對人、機、料、法、環、測逐一分析，除人員有變化外，其余均未變化，即5t模鍛錘，4A11活塞裙毛坯，活塞裙鍛造、熱處理工藝參數，環境溫度和檢測方法均未發生變更。

本批次零件為新成立班組人員生產，對材質為4A11活塞裙鍛造方法未掌握。5t模鍛錘屬沖擊載荷型裝備，行程不固定，鍛坯變形速度很難控制，因而要求操作者水平較高。對于4A11活塞裙鍛造，當鍛坯變形速度較快時，鋁合金來不及再結晶，其再結晶核心少，鍛后鍛件易形成粗晶。因此我們分析，模鍛初期錘擊力量大，致使鋁活塞裙鍛件一次變形量過大，金屬激烈流動是造成鋁活塞裙表面晶粒粗大的根本原因。針對該問題，我們在工藝中增加操作指導：模鍛要求輕擊逐漸向重擊過渡，最后重擊1～3次。

采取以上措施后，我們試生產了10件，結果該10件毛坯均進行加工完畢后，無一件表面發灰現象。

3.結語

（1）4A11鍛件活塞表面的花斑為晶粒粗大造成，外觀表現為顏色與基體部位不同。

（2）控制鍛造時變形速度可改善活塞的表面質量。

圖4 外表面低倍缺陷評級

圖5 縱截面低倍缺陷評級

表3 試樣成分分析（質量分數) (%)