HXN5型機車活塞銷裂紋分析及改進

金文銳 秦依麗

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇 常州 213011）

HXN5型機車活塞銷裂紋分析及改進

金文銳 秦依麗

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇 常州 213011）

通過宏觀斷口分析、金相檢驗、硬度檢測對HXN5型機車活塞銷裂紋產生原因進行了分析。結果表明，該活塞銷的非金屬夾雜物不合格造成了金相組織偏析、機械性能下降及加工面粗糙；這些現象降低了疲勞抗力，加劇了疲勞失效傾向。通過增加原材料抽檢及增加隨爐試樣檢測的方法，提高了產品的穩定性。

活塞銷；材質；組織；疲勞

公司采用20CrNiMo制造活塞銷。其工藝流程為：鍛造毛坯→表面滲碳→端面切削→鉆孔→鹽浴加熱淬火回火→表面精加工。經反饋，成品在使用一定時間后，偶有內油孔處開裂的現象。

1 宏觀斷口分析

將活塞銷剖開觀察，其橫截面上有3條裂紋起始于油孔，其中2條向外延伸，1條向內孔延伸，裂紋幾乎貫穿整個活塞銷，如圖1所示。沿著斷面打開活塞銷，發現其斷裂面貝紋線清晰可見，是明顯的疲勞斷裂特征；疲勞源起始于2個油孔的交匯處；另外，油孔表面發現有機加工刀痕殘留，表面粗糙，如圖2所示。活塞銷工作時承受非對稱交變載荷以及一部分沖擊載荷，受力不均勻；它連接活塞和連桿小頭，運動時相當于雙點支撐梁［1］，因此極易以疲勞破壞的形式失效。

圖1 活塞銷橫截面裂紋形貌

圖2 活塞銷斷裂面形貌

2 金相檢驗

從疲勞源處取樣，試樣經過磨拋后在金相顯微鏡下觀察，其非金屬夾雜物級別根據標準GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》評定為：A2.5、B0、C0、D0.5，如圖3所示，不符合技術要求。A類夾雜物過多會使夾雜物受周圍應力的影響破碎產生空隙形成微裂紋；夾雜物還會改變材料本身的應力分布，使出現應力集中的現象，即在與夾雜物端部相毗鄰的金屬基體處應力急劇升高，同時，它還加劇了材料的各向異性，降低了材料的疲勞抗力；另外，A類非金屬夾雜物主要為硫化類，含量過高會降低基體的耐腐蝕性，并造成機械加工后表面光潔度變差［2］。

再將試樣磨拋，經4%硝酸酒精溶液浸蝕后沿內油孔表面觀察，其表面組織為馬氏體+鐵素體，如圖4所示。活塞銷芯部組織為馬氏體+鐵素體，組織呈帶狀偏析，如圖5所示。這說明原材料本身有帶狀偏析，在熱處理后也未能完全消除；帶狀偏析會降低活塞銷的疲勞抗力［3］。

圖3 非金屬夾雜物 100×

圖4 裂紋源處拋光態下形貌 100×

圖5 活塞銷基體金相組織 500×

3 硬度檢測對活塞銷試樣芯部進行維氏硬度（HV1.0）檢測，結果如下表1所示。由于活塞銷試樣基體組織偏析，組織中含有較多的鐵素體及分布不均的非金屬夾雜物，導致各處硬度值不均勻，大大降低了該活塞銷的機械性能。

表1 活塞銷試樣維氏硬度檢測結果

4 結論與改進

檢驗結果表明，該活塞銷主要夾雜物為A類（硫化物類），其含量超出技術要求；由于A類夾雜物含量過高，加劇了材料的各向異性，降低了活塞銷縱向的疲勞抗力；受內油孔工作環境的影響，內油孔表面易受到油壓腐蝕，造成內油孔表面夾雜物剝落，易成為疲勞源；另外由于A類夾雜物含量過高，降低了活塞銷表面的光潔度，特別是內油孔表面，經機械加工后殘留有加工刀痕，而內油孔是活塞銷應力集中部位，在交變載荷下更易形成疲勞開裂。

通過增加樣品抽檢數及隨爐試樣金相檢驗，提高了原材料質量，改善了熱加工后材料性能，大大減少了活塞銷內油孔開裂問題的產生。

［1］ 項東，許斌，劉喜俊.活塞銷斷裂失效分析［B］熱加工工藝，2002，05.

［2］ 任頌贊，張靜江，陳質如等.鋼鐵金相圖譜［P］上海科學技術出版社，2003，06.

［3］ 上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術［P］上海科學技術文獻出版，1987.07.

U262.11；U269

A

1003-5168（2015）11-025-02

金文銳（1989-），男，漢族，助理工程師，本科，研究方向：金屬熱處理。