孔新建,張明旺
浙江零跑汽車有限公司 浙江杭州 310053
活塞環(huán)是一個(gè)關(guān)鍵的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng)度和耐磨性[3-4]。某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(jìn)行裝配操作,無(wú)違規(guī)操作,活塞環(huán)卻發(fā)生異常斷裂。本文重點(diǎn)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
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(gè)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(kuò)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(kuò)展區(qū)韌窩形貌特征
在活塞環(huán)隨機(jī)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(jìn)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(jìn)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(gè)氮化層,總長(zhǎng)度約0.050mm。在同一批次來(lái)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(shí)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(jìn)行隨機(jī)抽檢,并未發(fā)現(xiàn)任何顯微裂紋。經(jīng)追溯性調(diào)查證實(shí),物流轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中保護(hù)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
根據(jù)以上試驗(yàn)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(yùn)過(guò)程中,活塞環(huán)表面氮化層內(nèi)產(chǎn)生了微裂紋。在裝配過(guò)程中,當(dāng)受到較低的工作應(yīng)力時(shí),原來(lái)存在的微裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,微裂紋通過(guò)準(zhǔn)解理機(jī)制迅速擴(kuò)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(kuò)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。
本文對(duì)裝配中斷裂的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)做了斷口觀察與金相檢驗(yàn),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(yùn)過(guò)程中保護(hù)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(guò)程發(fā)生斷裂的根本原因。