機(jī)車(chē)用柴油機(jī)球鐵活塞銷(xiāo)座裂紋原因初探

符冬芽，沈新建

（中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司，江蘇常州 213011）

1 拆檢活塞銷(xiāo)座情況介紹

活塞銷(xiāo)座材質(zhì)為球墨鑄鐵，區(qū)域劃分見(jiàn)圖1，其表面磁粉探傷檢查質(zhì)量控制要求見(jiàn)表1，拆解活塞銷(xiāo)座典型的裂紋形貌見(jiàn)圖2、3。

圖1 活塞銷(xiāo)區(qū)域劃分示意圖

2 活塞銷(xiāo)座裂紋缺陷原因分析

2.1 裂紋斷面宏觀(guān)分析

取編號(hào)為L(zhǎng)R104778 的裂紋銷(xiāo)座進(jìn)行解剖，見(jiàn)圖4。沿裂紋打開(kāi)其斷裂面，斷面情況見(jiàn)圖5。斷

從圖2、3 的形態(tài)看，這樣的銷(xiāo)座，如果未進(jìn)行拆檢，再運(yùn)用很短的時(shí)間（很可能幾周甚至幾天）后就會(huì)發(fā)生失效致使銷(xiāo)座裂開(kāi)，活塞銷(xiāo)脫離，后果將十分嚴(yán)重（最低嚴(yán)重程度可致使所在動(dòng)力組報(bào)廢）。拆檢的活塞銷(xiāo)座經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)有近50%的活塞銷(xiāo)座不符合表1 標(biāo)準(zhǔn)。面上存在鑄造缺陷，圖中長(zhǎng)箭頭指處約3mm 的上部為裂紋擴(kuò)展的先行區(qū)（顏色較深區(qū)），鑄造缺陷距鑄件表面約0.6mm，大小約覬2.5mm 見(jiàn)圖6。從解剖和分析結(jié)果看，裂紋發(fā)源于高應(yīng)力區(qū)的鑄造缺陷。

圖2 濕法熒光探傷宏觀(guān)裂紋形貌之一

表1 活塞銷(xiāo)座表面磁粉探傷質(zhì)量控制要求

圖4 圖中箭頭指處（裂縫）為濕法熒光探傷宏觀(guān)裂紋處

圖5 沿上圖裂紋打開(kāi)后斷面情況，短箭頭指處為鑄造缺陷

圖6 左圖局部放大

2.2 本體金相分析

銷(xiāo)座表面組織為鐵素體+索氏體（見(jiàn)圖7、8），次表面組織為索氏體（見(jiàn)圖9），說(shuō)明銷(xiāo)座經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理，且表面存在脫碳層；鑄造缺陷邊緣存在氧化及非球化石墨，同時(shí)缺陷邊緣存在脫碳現(xiàn)象，分別見(jiàn)圖10～14；裂紋擴(kuò)展先行區(qū)未見(jiàn)脫碳（見(jiàn)圖15）。

圖7 100×表面組織為鐵素體+索氏體

圖8 500×左圖局部放大

圖9 100×次表面組織為索氏體

2.3 各部位微區(qū)成分分析

采用S-3700N 型掃描電子顯微鏡對(duì)上述試樣微區(qū)進(jìn)行能譜分析，分析部位見(jiàn)表2。

由三個(gè)區(qū)域能譜分析結(jié)果（表3）可知，缺陷部位存在很高的O、Mg、Al、K、Ca 等元素，不含Cu元素，Si 元素含量也高很多，其元素百分比表明，存在較高含量的氧化物，表明缺陷是由氧化物造成（氧化物在該區(qū)域聚集）或由于氧化而造成了缺陷（該區(qū)域被氧化）。這個(gè)結(jié)果與金相分析結(jié)果一致。

圖10 50×鑄造缺陷

圖11 500×缺陷周?chē)嬖谘趸F(xiàn)象

圖12 500×缺陷邊緣非球化石墨

3 分析與討論

從發(fā)生嚴(yán)重裂紋的三個(gè)活塞銷(xiāo)座看，裂紋源起始于銷(xiāo)座高應(yīng)力部位的鑄造缺陷處，兩個(gè)在銷(xiāo)孔底部中間，一個(gè)垂直于銷(xiāo)孔中線(xiàn)的底部圓孔邊緣（LR104778 號(hào)），鑄造缺陷大小約2.5mm，斷口面呈圓形；能譜分析結(jié)果表明，缺陷是由氧化夾渣組成，氧化夾雜中含有主要的球化劑Mg、Ca 等元素；缺陷部位的金相照片顯示，缺陷處附近石墨含量很低，石墨不成球，為片狀，幾乎沒(méi)有珠光體，表明該處在凝固前因鐵水氧化而造成球化衰退，含碳量下降，產(chǎn)生了片狀石墨和鐵素體基體；斷裂形貌表明，裂紋萌生于夾渣缺陷處，萌生后，疲勞擴(kuò)展區(qū)域很小，此后的擴(kuò)展速度極快，這種現(xiàn)象表明銷(xiāo)座在該部位的應(yīng)力水平很高；在該高應(yīng)力區(qū)處，若存在這樣的線(xiàn)性缺陷，情況將更為嚴(yán)重。

圖13 100×缺陷邊緣存在脫碳

圖14 500×左圖局部放大

表2 能譜分析區(qū)域

另外，隨機(jī)抽取的6 件缺陷超標(biāo)銷(xiāo)座，對(duì)探傷發(fā)現(xiàn)線(xiàn)性磁粉積聚的部位進(jìn)行解剖分析的結(jié)果表明，這些線(xiàn)性缺陷均是鑄造過(guò)程中的夾渣造成的，以近乎片狀形態(tài)分布，周?chē)蚧ネ僳E象明顯，存在片狀石墨和純鐵素體基體組織。這些存在超標(biāo)夾渣缺陷的銷(xiāo)座在運(yùn)用了兩年后，均沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展的跡象，同樣等級(jí)的缺陷，運(yùn)用了兩年后未造成裂紋的萌生和擴(kuò)展，表明這些缺陷處的應(yīng)力水平較低，也表明鑄造缺陷是否發(fā)展為裂紋與其所處的位置有關(guān)。

圖15 正常部位能譜成份

圖16 缺陷部位能譜成份

圖17 珠光體正常部位能譜成份

拆檢銷(xiāo)座磁粉檢測(cè)結(jié)果解剖的銷(xiāo)座缺陷分布情況表明，所有這種類(lèi)型的缺陷，均分布在工件的表面和次表面，且大部分已經(jīng)露頭（磁粉探傷能發(fā)現(xiàn)）。

經(jīng)分析認(rèn)為，這些缺陷是鐵水處理過(guò)程和澆注過(guò)程中產(chǎn)生的，一般是鐵水處理不當(dāng)所致。從夾渣的形態(tài)和分布在表面和次表面的情況看，這些夾渣應(yīng)該是二次氧化所造成，在澆注過(guò)程中鐵水流與型腔內(nèi)氧化性氣體接觸，發(fā)生了氧化反應(yīng)，消耗了易氧化的球化劑和合金元素，在鐵水流推進(jìn)過(guò)程中凝固于型腔表面或次表面，形成氧化物夾渣，并使周?chē)怀汕颍渲胁糠秩毕菀呀?jīng)露頭于表面，故磁粉檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)，部分在次表面（如LR104778 號(hào)銷(xiāo)座），即使進(jìn)行磁粉檢測(cè)，也不一定能發(fā)現(xiàn)。由于二次氧化的原因，其分布的區(qū)域是隨機(jī)的，表面和近表面的比例會(huì)高一些。這些缺陷，在成型后很難被經(jīng)濟(jì)的檢查出來(lái)。

表3 能譜分析結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

（1）LR104778 號(hào)失效銷(xiāo)座裂紋首先發(fā)生在鑄造缺陷處，距表面約3mm 范圍內(nèi)（即裂紋擴(kuò)展先行區(qū)）。

（2）這種鑄造缺陷的性質(zhì)為氧化夾渣，幾乎呈片狀分布，同時(shí)周?chē)嬖谑蚧ネ爽F(xiàn)象和片狀石墨。

（3）這種鑄造缺陷是澆注過(guò)程中，因鐵水二次氧化造成球化衰退而成；主要分布于鑄件的表面和次表面，其危害程度與所處位置有關(guān)。

（4）制訂的拆檢磁粉探傷檢測(cè)質(zhì)量控制要求并不能完全控制這類(lèi)失效的發(fā)生，只能從鑄造過(guò)程控制。

（5）對(duì)高應(yīng)力區(qū)域，要進(jìn)一步提高檢測(cè)要求，嚴(yán)格控制；對(duì)一般部位，可以適當(dāng)放寬要求，區(qū)別對(duì)待。

（6）由于鑄造的特性，這類(lèi)缺陷位置和分布存在不確定性，應(yīng)嚴(yán)格控制，凡出現(xiàn)這一類(lèi)缺陷的產(chǎn)品，均不建議使用。