內燃機車柴油機連桿小端襯套裂紋分析

李 碩

(中國中車 蘭州機車有限責任公司 質量保證部理化室， 甘肅蘭州 730050)

內燃機車柴油機連桿小端襯套裂紋分析

李 碩

(中國中車 蘭州機車有限責任公司 質量保證部理化室， 甘肅蘭州 730050)

柴油機連桿小端襯套在機車運行中出現裂紋，利用宏觀檢驗、化學分析、金相檢驗等手段對產生裂紋的連桿小端襯套進行檢驗，結合連桿小端襯套設計中對材料的變動情況進行分析，結果表明，連桿小端襯套制造中對材料的改變存在設計缺陷，加之加工工藝不良最終導致連桿小端襯套在運行中產生裂紋。

柴油機； 連桿襯套； 裂紋； 失效分析； ZCuSn10P1

某內燃機車出廠不久在運行中發生故障，該機車返廠后，將連桿小頭襯套拆下檢查，發現機車柴油機連桿小端襯套出現裂紋，拆卸下來的連桿小端襯套及裂紋情況如圖1，襯套兩邊的止動銷處均出現裂紋，裂紋周圍有明顯的圓弧形變色區域。連桿小端襯套原設計材質為ZCuSn10Pb10。主要制造工藝為鑄造、機加工 ，經了解該連桿襯套生產廠家對原設計做了改動，材料由ZCuSn10Pb10改為ZCuSn10P1。

圖1出現裂紋的連桿襯套

1 宏觀檢驗

連桿小端襯套裂紋如圖2，裂紋十分明顯，位于兩面止動銷底部且貫通，裂紋及附近無明顯的宏觀塑性變形。裂紋附近及周圍有明顯的顏色變化，表明裂紋附近曾經受熱。

圖2 連桿襯套裂紋形貌 2 理化檢驗

2.1 化學分析

在失效的連桿小端襯套裂紋附近鉆取試樣進行化學分析結果如表1。

表1 連桿小端襯套化學成分(質量分數) %

注：(1)GB 1176-87規定，磷的含量可以變動，最高可達1.5%。 (2)其他的元素為雜質，量少時對合金的影響較小。

由表1可見，連桿小端襯套化學成分符合GB 1176-1987《鑄造銅合金技術條件》標準中對ZCuSn10P1的要求。

2.2 金相檢驗

在裂紋處沿連桿襯套周向鋸取金相試樣，經磨制、拋光及侵蝕，在400倍顯微鏡下觀察，結果如圖3，白色的基體組織為α固溶體，沿晶界分布顏色較深的相，根據相圖分析可知為Cu3P，Cu3P中分布的顏色較淺的小顆粒狀的相為電子化合物δ相及少量由于偏析嚴重而生成的三元共晶T相(α+δ+Cu3P)，δ相是以具有復雜立方晶格的電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體。在400倍顯微鏡下觀察，裂紋較為曲折，裂紋的走向基本與晶界一致，如圖4。

2.3 力學性能測試

由表2可見，連桿小端襯套力學性能符合GB 1176-1987標準中對ZCuSn10P1的要求。

3 分析討論

純銅強度較低，在工業中的應用較少，Sn元素的加入，溶入銅中形成固溶體，起到固溶強化的作用，形成錫青銅，除了比純銅、黃銅強度更高外，還耐腐蝕、耐低溫、具有好的焊接性能及沖擊時不產生火花等特點。但是由于純粹的錫青銅結晶范圍較寬，鑄造流動性差，凝固線收縮小，容易形成疏松、反偏析等缺陷，嚴重時還會在表面形成白色δ相的錫汗瘤。為了改善這些缺陷，一般可以加入P、Zn、Pb等，組成相應的合金，其中錫磷青銅的使用最廣泛。Pb的加入，形成錫鉛青銅，GB 1176-1987 標準表明ZCuSn10Pb10主要用于高負荷、高滑動速度下工作的耐磨零件，連桿襯套及軸瓦等均采用該材料[1]。P的加入能改善鑄造性能，脫氧，提高強度、硬度、彈性極限、彈性模量、疲勞極限和耐磨性，形成錫磷青銅。但是P的加入使α相區向銅角縮小，組織中出現Cu3P，為非金屬夾雜物，屬低熔點脆性相[2]。

圖3 連桿小端襯套金相組織

圖4 連桿小端襯套裂紋微觀形貌

表2 連桿小端襯套力學性能測試

錫青銅中加入合金元素，是為了形成固溶體，以改善性能，由于Sn的偏析，成分中Sn大于7%時，鑄態時就不能形成單相的α 固溶體，且由于δ相必須在緩冷的條件下才能分解成α+ε(Cu3Sn)共析組織，因此其常溫下的組織為α+ δ共析體[3]，只有經均勻化退火，消除偏析，才能形成理想的單相α固溶體，該連桿襯套組織中存在較多脆性相，且分布于晶界處，對材料的影響較大，尤其是大量分布于晶界Cu3P及T相(α+δ+Cu3P)的存在，使材料加工或受力產生熱量，導致溫度升高時，晶界的低熔點相熔化，在應力的作用下產生熱裂紋。資料顯示，w(p)%大于0.5% 的時候，在加工就容易產生熱裂紋[4]。而ZCuSn10P1中P的含量范圍為0.5%～1.0%，該連桿小端襯套的磷含量為0.94%，因此ZCuSn10P1一般情況下都是不能在溫度較高的工況下工作，若零件在使用中產生了較大的熱量和一定的應力，就會在受熱并有應力處產生裂紋。

東風系列內燃機車柴油機連桿小端襯套的材料原設計為ZQSn4-4-17[5],即標準GB 1176-1987中的ZCuPb17Sn4Zn4。GB 10488-1989《滑動軸承單層和多層軸承用鑄造銅合金》表明，增加鉛含量，可改善合金經受裝配不良和間歇潤滑的能力，含鉛高的銅合金 ZCuSn10Pb10和ZCuPb17Sn4Zn4潤滑性能都好，可以用于內燃機活塞銷襯套，也就是連桿小端襯套,而ZCuSn10P1的要求是必須有良好的潤滑與裝配[6]。對于GB 10488-1989所參照的國際標準ISO 4382-1:1991中也有相同的規定[7]，由此可見，ZCuSn10P1對潤滑和裝配的要求都高，在內燃機車柴油機這樣惡劣的環境以及容易產生各種潤滑不良及發熱因素的地方采用該材料是不適當的。GB 1176-87附錄B表明，ZCuSn10P1也可以用來制造襯套，這可能就是此次材料代用的依據，但是通過前面的分析可知，采用ZCuSn10P1制造襯套應該在消除潤滑不良及發熱的情況下使用，因此GB 1176-87中應對此做出規定和說明。

宏觀檢驗和理化檢驗的結果表明，連桿小端襯套止動銷處有變色的痕跡，表明此處曾經有較嚴重的受熱，化學成分檢驗及力學性能測試結果表明，材料符合GB 1176-1987標準中對ZCuSn10P1的規定，金相組織檢驗結果表明，組織中有沿晶界分布的低熔點脆性相，對連桿小端襯套產生裂紋的相關部位的尺寸進行了檢查，結合連桿小端襯套的具體工況，發現襯套止動銷孔的加工過深，使止動銷孔的底部變薄，加之ZCuSn10P1材料彈性極限較高，不易發生塑性變形，使局部退讓性變差，導致連桿在運行過程中，局部摩擦加大，導致發熱。正常情況下，連桿小頭襯套受摩擦力和由連桿運動造成的徑向的壓力，但當連桿擺動慣性力在連桿平面內產生橫向彎曲變形時，將使連桿小端受力惡化，連桿小端襯套往往會發生偏磨，這是連桿小端襯套容易產生熱量的另一個原因。另外，若連桿尺寸質量及裝配存在問題時，也會造成連桿小端襯套摩擦發熱。因此，該連桿小端襯套材料改為ZCuSn10P1后，連桿小端襯套在工作時由于受力不均等，使摩擦增大，產生較多熱量，隨著發熱和摩擦力的增大，造成潤滑油膜破裂，致使潤滑不良，使該處溫度進一步升高，在應力的作用下，最終產生了沿晶界分布的熱裂紋。

機械零件所用材料的代用及升級，是機械設計及工藝改進的重要內容，研究材料的代用和升級，能夠大量節約貴重材料，并且使機械系統更加有效和安全可靠，長期以來，人們對鋼鐵材料等的代用升級研究較多[8-9]，而對有色金屬材料的代用，尤其是傳統的常規有色金屬代用的相關研究較少，由于目前許多企業面臨市場競爭壓力，對材料成本的考核加大。并且隨著機械產品向著高速度，高負荷方向發展及機械設備工作環境的惡劣，由銅合金等有色金屬零件造成的失效事故越來越多，并且對機械產品安全性和可靠性的要求也越來越高，許多材料研究人員和工程技術人員已經認識到了這個問題，開始了對銅合金等有色金屬的失效分析和性能提升的研究[10-13]。但是材料的代用和升級要經過大量的理論分析，工藝試驗和實際應用的檢驗。針對柴油機連桿小端襯套材料改為ZCuSn10P1就是僅僅考慮到P的加入能改善鑄造性能，脫氧，提高強度、硬度、彈性極限、彈性模量、疲勞極限和耐磨性，而沒有考慮到ZCuSn10P1退讓性差及受熱時容易產生熱裂紋的情況。如果經過適當的處理，若能使ZCuSn10P1沿晶界分布的第二相完全溶入α固溶體中，則情況會大為改善，同時相應地對連桿小端襯套的止動銷孔的深度進行研究，即從材料本身及產生發熱的原因進行著手消除產生熱裂紋的原因，這種裂紋就會基本上消失。

4 結 論

經過以上分析，連桿小端襯套產生裂紋主要有以下原因：

(1) 柴油機連桿小端襯套材料改為ZCuSn10P1存在設計缺陷，該材料組織中容易產生較多的沿晶界分布的低熔點相，受熱時會產生裂紋，并且該材料彈性極限較高，使連桿小端襯套局部退讓性變差，容易造成局部發熱。

(2) 在連桿小端襯套加工中，未能采取合理的熱處理工藝，消除ZCuSn10P1中沿晶界分布的低熔點脆性相。

(3) 連桿小端襯套的止動銷孔加工過深，過深的止動銷孔容易使退讓性變差，造成局部發熱。

5 建 議

(1) 在未進行充分的研究及試驗的情況下，柴油機連桿小端襯套材料應盡量采用原來設計的材料ZCuSn10Pb10。

(2) 若要采用錫磷青銅ZCuSn10P1，則應進行相應的材料工藝試驗，采用合理的加工工藝，如均勻化退火等工藝，盡量消除偏析，減小晶界低熔點相的析出。

(3) 連桿小端襯套的止動銷孔加工不易過深， 應對連桿小端襯套止動銷孔的加工進行相應的研究。

[1] GB1176-1987 鑄造銅合金技術條件[S].

[2] 李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京：機械工業出版社，2006：1490-1491.

[3] 機械工業理化檢驗人員技術培訓和資格鑒定委員會.金相檢驗[M].北京：中國計量出版社，2008：232.

[4] 山東機械制造學校.金屬學[M].北京：機械工業出版社，1979.

[5] 張世芳，徐惠康.內燃機車柴油機[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[6] GB 10488-1989 滑動軸承單層和多層軸承用鑄造銅合金[S].

[7] SO 4382-1:1991 Plain bearings-Copper alloys-Part 1:Cast copper alloys for solid and multilayer thick-walled plain bearings[S].

[8] 曹玉玲，王 娜，崔嬌月.材料代用常見問題的討論[J].化學工程與裝備，2011，(7)：121-122.

[9] 郭 晶，任秋梅.壓力容器建造過程中的材料代用及焊接控制[J].中國化工裝備，2003，5(2)：3-8.

[10] 王 永，鄧德偉，楊小壘，等.HMn58-2銅制冷卻器開裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2011，47(6)：385-387.

[11] 遲永強，李學浩，焦雅麗，等.390MW定子線圈TU2銅接頭焊接預熱失效分析[J].熱加工工藝，2010，39(19)：183-185.

[12] 李 健，陳體軍，郝 遠，等.離心鑄造ZCuPb10Sn10軸套時鉛偏析的防止措施[J].熱加工工藝，2006，35(13)：35-36.

[13] 高大偉，魏軍偉.銅合金熱擠壓制品常見缺陷分析及預防措施[J]. 熱加工工藝，2006，35(17)：92-93.

Analysis of Crack in the Small End Bushing of the Diesel Locomotive Connecting Rod

LIShuo

(Department of quality assurance of CRRC Corporation Limited Lanzhou Locomotive Co, Ltd., Lanzhou 730050 Gansu, China)

The crack often appears in the small end bushing of diesel engine connecting rod when the locomotive is operation. The connecting rod small end bushing is inspected through macroscopic examination, chemical analysis and metallographic examination, and analysis is carried out by considering with the materials change in design. The results show that, the crack is caused by material change which leads to design flaws in manufacture of connecting rod small end bushing, coupled with process adverse.

diesel engine; connecting rod bushing; crack; failure analysis; ZCuSn10P1

1008-7842 (2015) 06-0099-03

男，高級工程師(

2015-06-13)

U262.11

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.25