机车用柴油机球铁活塞销座裂纹原因初探

2021-06-03符冬芽沈新建

中国铸造装备与技术 2021年3期

关键词：夹渣球化谱分析

符冬芽，沈新建

（中车戚墅堰机车有限公司，江苏常州 213011）

1 拆检活塞销座情况介绍

活塞销座材质为球墨铸铁，区域划分见图1，其表面磁粉探伤检查质量控制要求见表1，拆解活塞销座典型的裂纹形貌见图2、3。

图1 活塞销区域划分示意图

2 活塞销座裂纹缺陷原因分析

2.1 裂纹断面宏观分析

取编号为LR104778 的裂纹销座进行解剖，见图4。沿裂纹打开其断裂面，断面情况见图5。断

从图2、3 的形态看，这样的销座，如果未进行拆检，再运用很短的时间（很可能几周甚至几天）后就会发生失效致使销座裂开，活塞销脱离，后果将十分严重（最低严重程度可致使所在动力组报废）。拆检的活塞销座经磁粉探伤发现有近50%的活塞销座不符合表1 标准。面上存在铸造缺陷，图中长箭头指处约3mm 的上部为裂纹扩展的先行区（颜色较深区），铸造缺陷距铸件表面约0.6mm，大小约覬2.5mm 见图6。从解剖和分析结果看，裂纹发源于高应力区的铸造缺陷。

图2 湿法荧光探伤宏观裂纹形貌之一

表1 活塞销座表面磁粉探伤质量控制要求

图4 图中箭头指处（裂缝）为湿法荧光探伤宏观裂纹处

图5 沿上图裂纹打开后断面情况，短箭头指处为铸造缺陷

图6 左图局部放大

2.2 本体金相分析

销座表面组织为铁素体+索氏体（见图7、8），次表面组织为索氏体（见图9），说明销座经过调质热处理，且表面存在脱碳层；铸造缺陷边缘存在氧化及非球化石墨，同时缺陷边缘存在脱碳现象，分别见图10～14；裂纹扩展先行区未见脱碳（见图15）。

图7 100×表面组织为铁素体+索氏体

图8 500×左图局部放大

图9 100×次表面组织为索氏体

2.3 各部位微区成分分析

采用S-3700N 型扫描电子显微镜对上述试样微区进行能谱分析，分析部位见表2。

由三个区域能谱分析结果（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，存在较高含量的氧化物，表明缺陷是由氧化物造成（氧化物在该区域聚集）或由于氧化而造成了缺陷（该区域被氧化）。这个结果与金相分析结果一致。

图10 50×铸造缺陷

图11 500×缺陷周围存在氧化现象

图12 500×缺陷边缘非球化石墨

3 分析与讨论

从发生严重裂纹的三个活塞销座看，裂纹源起始于销座高应力部位的铸造缺陷处，两个在销孔底部中间，一个垂直于销孔中线的底部圆孔边缘（LR104778 号），铸造缺陷大小约2.5mm，断口面呈圆形；能谱分析结果表明，缺陷是由氧化夹渣组成，氧化夹杂中含有主要的球化剂Mg、Ca 等元素；缺陷部位的金相照片显示，缺陷处附近石墨含量很低，石墨不成球，为片状，几乎没有珠光体，表明该处在凝固前因铁水氧化而造成球化衰退，含碳量下降，产生了片状石墨和铁素体基体；断裂形貌表明，裂纹萌生于夹渣缺陷处，萌生后，疲劳扩展区域很小，此后的扩展速度极快，这种现象表明销座在该部位的应力水平很高；在该高应力区处，若存在这样的线性缺陷，情况将更为严重。

图13 100×缺陷边缘存在脱碳

图14 500×左图局部放大

表2 能谱分析区域

另外，随机抽取的6 件缺陷超标销座，对探伤发现线性磁粉积聚的部位进行解剖分析的结果表明，这些线性缺陷均是铸造过程中的夹渣造成的，以近乎片状形态分布，周围球化衰退迹象明显，存在片状石墨和纯铁素体基体组织。这些存在超标夹渣缺陷的销座在运用了两年后，均没有发生扩展的迹象，同样等级的缺陷，运用了两年后未造成裂纹的萌生和扩展，表明这些缺陷处的应力水平较低，也表明铸造缺陷是否发展为裂纹与其所处的位置有关。

图15 正常部位能谱成份

图16 缺陷部位能谱成份

图17 珠光体正常部位能谱成份

拆检销座磁粉检测结果解剖的销座缺陷分布情况表明，所有这种类型的缺陷，均分布在工件的表面和次表面，且大部分已经露头（磁粉探伤能发现）。

经分析认为，这些缺陷是铁水处理过程和浇注过程中产生的，一般是铁水处理不当所致。从夹渣的形态和分布在表面和次表面的情况看，这些夹渣应该是二次氧化所造成，在浇注过程中铁水流与型腔内氧化性气体接触，发生了氧化反应，消耗了易氧化的球化剂和合金元素，在铁水流推进过程中凝固于型腔表面或次表面，形成氧化物夹渣，并使周围石墨不成球，其中部分缺陷已经露头于表面，故磁粉检测能发现，部分在次表面（如LR104778 号销座），即使进行磁粉检测，也不一定能发现。由于二次氧化的原因，其分布的区域是随机的，表面和近表面的比例会高一些。这些缺陷，在成型后很难被经济的检查出来。