HXN5型机车活塞销裂纹分析及改进

金文锐 秦依丽

（中车戚墅堰机车有限公司，江苏 常州 213011）

HXN5型机车活塞销裂纹分析及改进

金文锐 秦依丽

（中车戚墅堰机车有限公司，江苏 常州 213011）

通过宏观断口分析、金相检验、硬度检测对HXN5型机车活塞销裂纹产生原因进行了分析。结果表明，该活塞销的非金属夹杂物不合格造成了金相组织偏析、机械性能下降及加工面粗糙；这些现象降低了疲劳抗力，加剧了疲劳失效倾向。通过增加原材料抽检及增加随炉试样检测的方法，提高了产品的稳定性。

活塞销；材质；组织；疲劳

公司采用20CrNiMo制造活塞销。其工艺流程为：锻造毛坯→表面渗碳→端面切削→钻孔→盐浴加热淬火回火→表面精加工。经反馈，成品在使用一定时间后，偶有内油孔处开裂的现象。

1 宏观断口分析

将活塞销剖开观察，其横截面上有3条裂纹起始于油孔，其中2条向外延伸，1条向内孔延伸，裂纹几乎贯穿整个活塞销，如图1所示。沿着断面打开活塞销，发现其断裂面贝纹线清晰可见，是明显的疲劳断裂特征；疲劳源起始于2个油孔的交汇处；另外，油孔表面发现有机加工刀痕残留，表面粗糙，如图2所示。活塞销工作时承受非对称交变载荷以及一部分冲击载荷，受力不均匀；它连接活塞和连杆小头，运动时相当于双点支撑梁［1］，因此极易以疲劳破坏的形式失效。

图1 活塞销横截面裂纹形貌

图2 活塞销断裂面形貌

2 金相检验

从疲劳源处取样，试样经过磨抛后在金相显微镜下观察，其非金属夹杂物级别根据标准GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》评定为：A2.5、B0、C0、D0.5，如图3所示，不符合技术要求。A类夹杂物过多会使夹杂物受周围应力的影响破碎产生空隙形成微裂纹；夹杂物还会改变材料本身的应力分布，使出现应力集中的现象，即在与夹杂物端部相毗邻的金属基体处应力急剧升高，同时，它还加剧了材料的各向异性，降低了材料的疲劳抗力；另外，A类非金属夹杂物主要为硫化类，含量过高会降低基体的耐腐蚀性，并造成机械加工后表面光洁度变差［2］。

再将试样磨抛，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后沿内油孔表面观察，其表面组织为马氏体+铁素体，如图4所示。活塞销芯部组织为马氏体+铁素体，组织呈带状偏析，如图5所示。这说明原材料本身有带状偏析，在热处理后也未能完全消除；带状偏析会降低活塞销的疲劳抗力［3］。

图3 非金属夹杂物 100×

图4 裂纹源处抛光态下形貌 100×

图5 活塞销基体金相组织 500×

3 硬度检测对活塞销试样芯部进行维氏硬度（HV1.0）检测，结果如下表1所示。由于活塞销试样基体组织偏析，组织中含有较多的铁素体及分布不均的非金属夹杂物，导致各处硬度值不均匀，大大降低了该活塞销的机械性能。

表1 活塞销试样维氏硬度检测结果

4 结论与改进

检验结果表明，该活塞销主要夹杂物为A类（硫化物类），其含量超出技术要求；由于A类夹杂物含量过高，加剧了材料的各向异性，降低了活塞销纵向的疲劳抗力；受内油孔工作环境的影响，内油孔表面易受到油压腐蚀，造成内油孔表面夹杂物剥落，易成为疲劳源；另外由于A类夹杂物含量过高，降低了活塞销表面的光洁度，特别是内油孔表面，经机械加工后残留有加工刀痕，而内油孔是活塞销应力集中部位，在交变载荷下更易形成疲劳开裂。

通过增加样品抽检数及随炉试样金相检验，提高了原材料质量，改善了热加工后材料性能，大大减少了活塞销内油孔开裂问题的产生。

［1］ 项东，许斌，刘喜俊.活塞销断裂失效分析［B］热加工工艺，2002，05.

［2］ 任颂赞，张静江，陈质如等.钢铁金相图谱［P］上海科学技术出版社，2003，06.

［3］ 上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术［P］上海科学技术文献出版，1987.07.

U262.11；U269

A

1003-5168（2015）11-025-02

金文锐（1989-），男，汉族，助理工程师，本科，研究方向：金属热处理。