活塞內冷油腔潛在失效模式解析

■ 孫淑霞，王劍，王瀟如，夏金寶

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近年來，隨著新材料、新技術的出現，高爆壓、高負荷內燃機的應用越來越普遍，并且輕量化設計趨勢明顯加快，這就對作為內燃機核心部件的活塞提出更高的設計要求，在活塞頂部靠近鑲圈附近增加振蕩冷卻油腔設計是一種普遍采用的方式。冷卻油通過主油道一側的噴嘴噴入活塞冷卻油腔中，在冷卻油腔內振蕩吸收活塞熱量后流出，從而降低活塞（特別是活塞頭部）溫度。依據內冷油腔成形工藝的不同，又區分為水溶鹽芯活塞和焊接活塞。下面主要針對水溶鹽芯活塞（見圖1）在生產或使用中內冷油腔常見的幾種潛在失效模式進行討論和解析。

圖1 水溶鹽芯活塞

1. 內冷油腔幾何尺寸失效

內冷油腔幾何尺寸失效（見圖2）是一種最常見失效模式，能占到內冷油腔失效數量的80%以上。內冷油腔幾何尺寸失效的直接后果是內冷油腔與環槽和燃燒室的距離變窄，造成環岸斷裂或燃燒室擊穿。內冷油腔幾何尺寸失效存在多種表現形式，總體可歸納為四類（見圖3）：①內冷油腔徑向偏移。②內冷油腔軸向偏移。③內冷油腔翹曲變形。④內冷油腔平面失圓。

圖2 內冷油腔幾何尺寸失效

圖3 內冷油腔幾何尺寸失效表現形式

研究表明，內冷油腔徑向偏移失效模式出現的原因包括：①鹽芯本身的定位孔偏離中心位置。②模具上的鹽芯定位支撐在外力作用下發生傾斜、彎曲或偏移。

內冷油腔軸向偏移失效模式出現的原因包括：①鹽芯本身制造尺寸偏大。②模具上的鹽芯定位支撐在脫模力反復作用下發生延展伸長，從而影響到鹽芯的位置。③鹽芯鑲入型腔時沒固定到位。

內冷油腔翹曲變形失效模式出現的原因包括：①鹽芯在經過焙燒時，工藝溫度過高，造成鹽芯熱塑變形。②鹽芯在經過焙燒后，鹽芯托盤翹曲變形，造成鹽芯在高溫下隨其變形。③大區域含水的鹽芯鑲入型腔，在高溫金屬液的沖擊和熱膨脹作用下也會造成翹曲變形。

內冷油腔平面失圓一般發生在鹽芯兩個定位點相垂直的方向上。經試驗研究發現，鹽芯在鑄入型腔時，在高溫金屬液的作用下，依據鹽芯直徑和截面積的不同會發生0.8～2mm的熱脹。在兩定位點方向上，由于受到定位點的限制鹽芯外徑尺寸基本無變化，鹽芯的熱脹量就會集中體現在兩個定位點相垂直的方向上，造成內冷油腔平面失圓，所以在設計鹽芯定位點時一定要充分考慮鹽芯的熱脹量。

在實際生產中, 內冷油腔幾何尺寸失效并不是以單一的形式存在的，往往是以上幾種形式的組合，所以具體情況還要具體分析。

2. 內冷油腔氣泡失效

內冷油腔氣泡失效（見圖4）是一種危害性極大的失效模式，大部分情況下是隱藏在產品內部（見圖4a），只有少部分可以從表面被發現（見圖4b）。內冷油腔氣泡失效模式的直接危害就是燃燒室擊穿，使發動機動力迅速下降甚至失去動力。經試驗發現此類失效模式產生的原因是：①鹽芯焙燒不充分，鹽芯自身含有水分，在高溫金屬液充型時，鹽芯內的水分被汽化又來不及排出型腔，就在鹽芯附近形成氣泡。②經充分焙燒的鹽芯，在后續的周轉、存儲、操作過程中受到水或油的污染。③重新更換的鹽芯定位支撐沒經過高溫烘干，加工過程中的油料或切削液殘留，在高溫金屬液充型時被汽化又來不及排出型腔，也可在鹽芯附近形成氣泡。

3. 內冷油腔帶狀氧化物失效

內冷油腔帶狀氧化物失效（見圖5）也是一種常見的失效模式，只是因為它所造成的直接后果不是很嚴重，所以一直沒被重視。內冷油腔帶狀氧化物一般呈薄片狀（一般厚度≤2mm），或沿內冷油腔方向或沿內冷油腔截面方向與內冷油腔內壁鑄造成一體。這種帶狀氧化物一般不會脫落，但一旦脫落就會在活塞與缸體間形成異物造成拉缸。

圖4 內冷油腔氣泡失效

造成內冷油腔帶狀氧化物失效模式的原因是鹽芯分層或斷裂、高溫金屬液鑄入鹽芯夾層或裂縫中形成的。鹽芯分層或斷裂的原因是：①混料不均勻，形成干粉料夾層。②鹽料流塑性差，鹽料中裹挾的空氣膜無法排除。③烘干或焙燒工藝不合理，存在“燒裂”現象。④鹽芯儲存環境溫度過低，造成“干裂”現象。⑤鹽芯成形模具設計不合理，存在“脫模拉縫”現象。⑥鹽芯定位支撐與鹽芯定位孔配合不當，定位支撐將鹽芯定位孔脹裂。⑦鹽芯定位孔或鹽芯定位支撐發生偏移，定位孔與定位支撐之間存在強力配合現象，鹽芯在高溫金屬液熱沖擊下斷裂。

4. 內冷油腔殘鹽失效

內冷油腔殘鹽失效（見圖6）也是一種常見的內冷油腔失效模式，這種失效模式常常與內冷油腔帶狀氧化物失效（見圖6紅色箭頭尾部）相伴存在。內冷油腔殘鹽失效的表現形式是內冷油腔的某段范圍內部分截面或整個截面被殘留的鹽芯堵塞。這種失效模式的后果是內冷油腔的冷卻降溫效果不能滿足設計要求，并且隨著時間推移這些殘余的鹽料還會脫落腐蝕活塞和缸體。

圖5 內冷油腔帶狀氧化物失效

圖6 內冷油腔殘鹽失效

內冷油腔殘鹽失效模式產生的原因是：①已經存在內冷油腔帶狀氧化物失效，將內冷油腔部分或整個截面堵塞，從而影響鹽芯的水洗效果。②混料不均勻，粘結劑結塊，在焙燒過程中形成琉璃體，從而影響鹽芯的水洗效果。③鹽料流塑性差，在壓制成形時鹽芯不同段的密度差異較大，同等水洗工藝條件下存在鹽芯殘留現象。④鹽芯在焙燒時，焙燒爐膛內溫度不均勻或鹽芯擺放過于密集，造成靠近加熱源的鹽芯部分被燒結成琉璃體。⑤在鹽芯水洗過程中，水洗管路局部堵塞或水壓降低影響鹽芯的水洗效果。

5. 內冷油腔應力裂紋失效

圖7 內冷油腔應力裂紋失效

內冷油腔應力裂紋失效（見圖7）是一種隱蔽性很強卻危害性極大的內冷油腔失效模式，現有檢測儀器很難探測到該類缺陷，只有在分析活塞質量事故時才會發現它的存在，所以該類失效模式只能通過提高過程能力加以保證和預防。內冷油腔應力裂紋失效的直接后果是造成活塞斷裂或燃燒室擊穿，使發動機動力迅速下降甚至失去動力。經試驗發現此類失效模式產生的原因是：①產品設計時，內冷油腔與活塞內腔間距離過小，不利于金屬液充型。②金屬液凈化不徹底，充型時金屬液中的氧化夾雜物黏附在鹽芯表面，形成應力裂紋源（見圖7b）。③鹽芯分模面清除不徹底，存在分模尖棱，在內冷油腔中形成尖角過渡，這也是鑄造最忌諱的問題。

6. 結語

對活塞內冷油腔潛在失效模式的解析旨在詳細梳理鹽芯制作和內冷活塞鑄造過程，找到生產活動中可能存在的不穩定因素，優化過程控制方法，提升制造過程能力，保證生產出更優質的活塞產品。在今后的工作中需要不斷加強相關失效案例及數據的研究，進一步提升行業發展水平。