汽車發(fā)動機活塞環(huán)裝配斷裂分析

孔新建，張明旺

浙江零跑汽車有限公司 浙江杭州 310053

1 序言

活塞環(huán)是一個關(guān)鍵的汽車發(fā)動機零部件，從形狀上看是具有一定開口的金屬環(huán)，應(yīng)具有足夠高的耐蝕性和耐磨性[1]。目前汽車發(fā)動機活塞環(huán)主要使用綜合性能優(yōu)異的合金鋼產(chǎn)品[2]，例如高鉻馬氏體鋼活塞環(huán)，表面氮化處理與PVD處理可顯著提高其強度和耐磨性[3-4]。某型號汽車發(fā)動機活塞環(huán)的材質(zhì)為9Cr18MoV馬氏體不銹鋼，活塞環(huán)表面經(jīng)氮化處理+PVD處理，裝配工人作業(yè)時發(fā)生多起活塞環(huán)斷裂事件。背景調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工人嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書進行裝配操作，無違規(guī)操作，活塞環(huán)卻發(fā)生異常斷裂。本文重點研究分析活塞環(huán)斷裂失效的原因，協(xié)助制定相應(yīng)的整改措施。

圖1 活塞環(huán)斷裂位置

2 試驗結(jié)果

2.1 斷口觀察

活塞環(huán)試樣經(jīng)超聲波清洗后，在Quanta FEG650型掃描電鏡下觀察其斷口，宏觀斷口形貌如圖2所示。根據(jù)斷口形貌特征判斷，斷口裂紋源區(qū)位于內(nèi)側(cè)面的表面淬硬層內(nèi)部，而外側(cè)面終斷區(qū)有層狀撕裂特征。裂紋源區(qū)呈準(zhǔn)解理形貌特征，如圖3所示。斷口外表面整周深約0.05mm區(qū)域呈準(zhǔn)解理形貌，整個斷裂面存在一定的磨損損傷，未磨損斷面上未見明顯的材料缺陷?；钊h(huán)斷面的心部（屬裂紋擴展區(qū)）觀察到韌窩形貌特征，如圖4所示。

圖2 斷口形貌特征

圖3 裂紋源區(qū)準(zhǔn)解理形貌特征

圖4 裂紋擴展區(qū)韌窩形貌特征

2.2 金相檢驗

在活塞環(huán)隨機位置切取橫截面試樣，磨拋處理并經(jīng)侵蝕后，使用Zeiss Axio Imager M2m型顯微鏡進行觀察分析，如圖5所示。結(jié)果表明，活塞環(huán)的氮化層深度為0.062mm，符合技術(shù)要求；PVD層僅存在于活塞環(huán)的外側(cè)面，厚度為0.018mm，符合技術(shù)要求。

圖5 活塞表面氮化層與PVD層

在斷口附近取橫截面試樣，磨拋處理后，使用Zeiss Axio Imager M2m型顯微鏡進行觀察分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在活塞環(huán)內(nèi)側(cè)面的氮化層區(qū)域內(nèi)存在3條微裂紋，斷續(xù)地分布在同一直線方向上，基本貫穿整個氮化層，總長度約0.050mm。在同一批次來料的活塞環(huán)中繼續(xù)抽檢，也在氮化層內(nèi)發(fā)現(xiàn)了類似的微裂紋，證實了這并非偶然現(xiàn)象，而是普遍存在的。供應(yīng)商未出廠的同一批次產(chǎn)品也進行隨機抽檢，并未發(fā)現(xiàn)任何顯微裂紋。經(jīng)追溯性調(diào)查證實，物流轉(zhuǎn)運過程中保護措施不到位，活塞環(huán)受到相互擠壓和撞擊，在硬而脆的氮化層區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了微裂紋，如圖6所示。

圖6 活塞表面氮化層內(nèi)的顯微裂紋

3 分析與討論

根據(jù)以上試驗結(jié)果，活塞環(huán)的氮化處理與PVD處理的結(jié)果符合規(guī)范要求。

在物流轉(zhuǎn)運過程中，活塞環(huán)表面氮化層內(nèi)產(chǎn)生了微裂紋。在裝配過程中，當(dāng)受到較低的工作應(yīng)力時，原來存在的微裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，微裂紋通過準(zhǔn)解理機制迅速擴展到較大的范圍；又因活塞環(huán)表層硬化區(qū)斷裂韌性差，裂紋得以迅速擴展并完全斷裂；心部基體組織韌性較佳，以延性破壞為特征，斷口具有明顯的韌窩形貌；最終瞬斷區(qū)為外側(cè)面邊緣處硬度極高的PVD層，形成層狀撕裂形貌。

4 結(jié)束語

本文對裝配中斷裂的汽車發(fā)動機活塞環(huán)做了斷口觀察與金相檢驗，討論了活塞環(huán)斷裂的原因，主要結(jié)論如下：

1）活塞環(huán)的氮化層深度與PVD層深度均符合規(guī)范要求。

2）物流轉(zhuǎn)運過程中保護不當(dāng)，致使氮化層區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微裂紋，是活塞環(huán)在裝配過程發(fā)生斷裂的根本原因。