某重型柴油機(jī)活塞銷裂紋故障原因分析

邵利民，徐慧峰

(海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海200136)

0 引言

活塞銷是柴油機(jī)功率傳遞的核心部件，隨著船用柴油機(jī)向高強(qiáng)度大功率方向發(fā)展，活塞銷承受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也越來越大，發(fā)生故障的概率也在增加［1］。某船用推進(jìn)柴油機(jī)在運(yùn)行近10 000 h 拆檢活塞連桿組時(shí)發(fā)現(xiàn)一活塞銷孔表面出現(xiàn)裂紋，該活塞銷材料牌號為30Cr3W，經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面滲氮熱處理，性能要求如表1 所示。為了找到裂紋的故障原因，分別從宏觀形貌和微觀形貌，化學(xué)成分、力學(xué)性能、 金相組織等方面對失效活塞銷進(jìn)行了全面的分析與排查［2-3］。

表1 活塞銷材料性能要求

1 活塞銷裂紋外觀描述

活塞銷裂紋的宏觀外貌如圖1 所示，將活塞銷表面孔標(biāo)為1 號、2 號、3 號，表面裂紋位置在1 號孔處，向2 號孔處擴(kuò)展約25 mm。

圖1 活塞銷裂紋

2 活塞銷裂紋原因排查

2.1 活塞銷裂紋原因分析

活塞銷裂紋失效原因主要有設(shè)計(jì)因素、 材質(zhì)因素、加工質(zhì)量和使用強(qiáng)度等四個(gè)方面［4，5］。對照設(shè)計(jì)資料狀態(tài)進(jìn)行復(fù)查，設(shè)計(jì)狀態(tài)至今未發(fā)生任何變化，柴油機(jī)使用中也為未出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，因此可以排除這兩方面原因，主要從材質(zhì)因素和加工質(zhì)量方面進(jìn)行分析排查。

2.2 宏觀形貌檢查

將活塞銷剖開，從活塞銷內(nèi)孔觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋已貫穿厚壁，并且裂紋從1 號孔延伸至2 號孔甚至更遠(yuǎn)處，內(nèi)部處宏觀形貌見圖2。繼續(xù)將活塞銷剖開，內(nèi)壁裂紋延伸終點(diǎn)位置宏觀形貌見圖3(a)識別標(biāo)示，進(jìn)一步將裂紋打開，裂紋面的宏觀形貌見圖3(b)。經(jīng)觀察，裂紋面呈亮金屬色，裂紋面上可見清晰的貝紋線，為疲勞開裂的宏觀形貌特征，見圖4(a)。貝紋線收斂位置即為裂紋源區(qū)，見圖4(b)，該位置為2 號孔，說明活塞銷的裂紋起源于2 號孔表面，開裂性質(zhì)為疲勞開裂。將源區(qū)分別標(biāo)記為1#源區(qū)和2#源區(qū)，見圖4b。

圖2 內(nèi)部裂紋延伸宏觀形貌

圖3 內(nèi)壁裂紋面宏觀形貌

圖4 裂紋面貝紋線形貌

2.3 微觀形貌檢查

取1#源區(qū)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，SEM 形貌見圖5，SEM 形貌可見疲勞條帶收斂于一點(diǎn)，為裂紋源區(qū)，可見大致平行的二次裂紋，為疲勞開裂的微觀形貌特征。源區(qū)內(nèi)嵌有夾雜物，對夾雜物進(jìn)行能譜分析可知，異物為氧化鋁，結(jié)果見圖6。

圖5 裂紋面SEM 形貌

2.4 材料性能分析

2.4.1 化學(xué)成分分析

從活塞銷上取部分金屬屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2 所示，活塞銷化學(xué)成分符合30Cr3W 的要求。

表2 活塞銷化學(xué)成分實(shí)測值

2.4.2 金相組織分析

截取活塞銷端面位置的剖面在金相顯微鏡下觀察顯微組織為球粒狀珠光體，形貌見圖7，端面及活塞銷圓柱面均未見氮化層，與技術(shù)要求不符。

圖7 金相試樣顯微組織形貌

2.4.3 力學(xué)性能測試

活塞銷的力學(xué)測試結(jié)果如表3 所示，通過力學(xué)性能實(shí)測值可知，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊性能實(shí)測值不符合技術(shù)要求。

表3 活塞銷力學(xué)性能實(shí)測值

3 活塞銷失效原因分析

根據(jù)上文的檢查可以得出以下結(jié)論：

(1)活塞銷化學(xué)成分符合技術(shù)要求，失效原因與材料本身無關(guān)。

(2)活塞銷力學(xué)性能不符合技術(shù)要求，且金相分析活塞銷端面及圓柱面均未見氮化層，活塞銷加工過程中未按圖紙要求進(jìn)行表面滲氮熱處理。

(3)通過宏觀照片及微觀照片觀察和分析，認(rèn)為活塞銷開裂性質(zhì)為疲勞開裂，開裂起源于2 號孔表面，斷裂主要是因?yàn)椴环显O(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能降低了抗疲勞性能，在運(yùn)行過程中在2 號孔與中間油道交界處表面萌生微裂紋并擴(kuò)展直至開裂。

4 結(jié)束語

(1)此活塞銷加工過程中未按要求進(jìn)行表面熱處理，導(dǎo)致力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，在柴油機(jī)高強(qiáng)度運(yùn)行中出現(xiàn)疲勞開裂。

(2)應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程，完善加工過程的記錄，避免出現(xiàn)類似缺陷。