某高功率柴油機(jī)活塞失效分析及解決方案

張濤

摘要：針對某高功率柴油發(fā)動機(jī)鑄造鋁合金活塞在冷熱沖擊臺架試驗(yàn)后出現(xiàn)頂部開裂現(xiàn)象，綜合了活塞及對手件尺寸檢測、渦流探傷檢測、金相檢測及電鏡檢測的結(jié)果，經(jīng)分析判定為鑄造工藝中鋁合金氧化皮夾雜是此次活塞出現(xiàn)開裂失效的根本原因。根據(jù)分析結(jié)果，針對活塞開裂情況提出了對手件設(shè)計(jì)方案及活塞鑄造工藝優(yōu)化方案并對優(yōu)化后的活塞進(jìn)行了三輪冷熱沖擊臺架試驗(yàn)+800小時(shí)耐久臺架試驗(yàn)，均未再出現(xiàn)活塞開裂現(xiàn)象，可判斷為改良方案有效。

Abstract： A cast aluminum alloy piston of high power diesel engine cracked in thermal shock test。It is concluded that the mixed oxide scale of aluminum alloy in the casting process is the root cause of the piston cracking failure through size inspection， eddy current flaw detection， metallographic examination and electron microscope examination。The piston passed thermal shock test after optimizing the casting process。It can be judged that the improved scheme is effective.

關(guān)鍵詞：鋁合金活塞;開裂失效;氧化皮

Key words： cast aluminum alloy piston;cracking failure;oxide scale

中圖分類號：TG115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0023-03

0? 引言

活塞是發(fā)動機(jī)最重要的零部件之一，其承擔(dān)著將燃燒爆炸產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動機(jī)械能的職責(zé)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要傳遞動力，密封燃燒氣體并潤滑缸壁。而其工作環(huán)境也是最為惡劣，一方面需直接接觸高溫、高壓、腐蝕性氣體，承受往復(fù)變化所產(chǎn)生的巨大壓力，另一方面是與活塞銷及缸壁摩擦產(chǎn)生熱量積累及不斷磨損。

目前柴油發(fā)動機(jī)升功率不斷提升，甚至部分柴油機(jī)最大功率已接近同排量主流汽油機(jī)最大功率，故活塞在所承受的壓力越來越大的情況下，接觸到的燃?xì)鉁囟纫苍絹碓礁?，工作環(huán)境極端惡劣。在某些極端工況下，鋁制柴油機(jī)活塞頂部由于溫度上升而導(dǎo)致開裂或熔頂。為應(yīng)對惡劣環(huán)境，增大活塞強(qiáng)度，大多數(shù)主機(jī)廠家采用鋼制活塞，但是鋼制活塞需采用分體鑄造再激光焊接的制造工藝，制造成本遠(yuǎn)大于鋁制活塞（約為3～4倍）;且由于鋼制活塞重量大于鋁制活塞，在往復(fù)運(yùn)動中會消耗發(fā)動機(jī)動力，降低發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及動力表現(xiàn)。

為保證發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及動力表現(xiàn)的同時(shí)避免開裂或熔頂情況的發(fā)生，各大活塞廠家努力優(yōu)化燃燒室尺寸形狀、開發(fā)新型更優(yōu)高溫性能的鋁合金材料，盡可能降低活塞工作溫度的同時(shí)，仍需優(yōu)化制作工藝，避免制作缺陷導(dǎo)致失效。即使如此，由于工作環(huán)境的惡劣，在高性能柴油發(fā)動機(jī)開發(fā)驗(yàn)證過程中仍存在較大失效風(fēng)險(xiǎn)。

1? 失效描述

4缸82mm缸徑雙增壓高功率柴油發(fā)動機(jī)在冷熱沖擊試驗(yàn)完成后，工作人員在對發(fā)動機(jī)拆解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)第3缸活塞頂面出現(xiàn)裂紋（長度約6mm），活塞銷處無異常，如圖1、圖2所示。其他缸活塞并未出現(xiàn)相似裂紋。

2? 部件檢測

在進(jìn)行失效部件檢測時(shí)應(yīng)先充分進(jìn)行外觀尺寸檢測，功能檢測，最后再進(jìn)行破壞性檢測，以免無法復(fù)原部件而丟失重要信息。

①尺寸檢測：通過圖片或者單個(gè)故障件無法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障原因，亦無法排除后續(xù)開裂風(fēng)險(xiǎn)，故除了核對裝機(jī)前活塞尺寸數(shù)據(jù)與臺架后拆解活塞尺寸數(shù)據(jù)是否匹配，還檢測了對手件（活塞銷、活塞冷卻噴嘴、活塞環(huán)等）數(shù)據(jù)是否有異常。經(jīng)檢測，活塞及其他零件尺寸功能等數(shù)據(jù)均符合要求。

②探傷檢測。對庫存300件活塞進(jìn)行探傷檢測，沒有發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)夾雜情況。

③破壞檢測。

1）材料檢測：材質(zhì)檢測符合設(shè)計(jì)要求，各成分請見表1，排除因材料成本不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致活塞開裂的可能。

2）金相檢測：在破裂活塞上取樣制備為小塊，經(jīng)鑲嵌及初步拋光后用HF水溶液浸蝕后再沖洗及吹干后，用金相顯微鏡進(jìn)行觀察金相組織，結(jié)果如圖3 所示。

經(jīng)觀察鋁合金組織晶格細(xì)致，α（Al）+（α+Si）共晶+少量AlCu+少量MgSi，而無明細(xì)Fe相或其他夾雜物，說明金相組織較好，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，排除因金相組織不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致活塞開裂的可能。

3）電子顯微鏡微觀檢測：將活塞拆解為小塊后，經(jīng)電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋起始區(qū)出現(xiàn)氧化皮夾雜，尺寸為0.2×0.1mm，如圖4所示（超出渦流探傷檢測范圍，故庫存產(chǎn)品沒有發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)夾雜情況），經(jīng)分析，存在因氧化皮夾雜而導(dǎo)致活塞開裂的可能性，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3? 失效結(jié)論

雖然此氧化皮夾雜尺寸屬于活塞供應(yīng)商鑄造工藝的允許范圍內(nèi)且在電渦流探測限值以下，但是由于此機(jī)型升功率較高，達(dá)到80kW/L，從而導(dǎo)致活塞壓力及溫度都處在此鋁合金材料（活塞供應(yīng)商內(nèi)部牌號：G91）應(yīng)用的極限，并超出了活塞供應(yīng)商使用經(jīng)驗(yàn)溫度。此狀態(tài)下，即使細(xì)小的氧化皮夾雜工藝缺陷也可能導(dǎo)致活塞開裂失效，故不能采用原有的制作工藝經(jīng)驗(yàn)，需要重新正向分析并解決問題。

4? 問題分析

4.1 鋁壓鑄時(shí)無法避免出現(xiàn)氧化皮夾雜的情況

鋁壓鑄時(shí)無法完全避免氧化皮夾雜的情況，其他同類鋁制活塞中也存在氧化皮夾雜的情況，屬于生產(chǎn)工藝固有缺陷?；钊圃鞆S商只能內(nèi)控氧化皮的尺寸并通過渦流探傷抽檢來進(jìn)行工藝確認(rèn)。

4.2 細(xì)小氧化皮無法通過無損檢測（如渦流探傷等）

目前渦流探傷只能檢測尺寸大于0.3×0.3×0.3mm的氧化皮夾雜情況，且百分百檢測將會大大降低產(chǎn)能并大幅提升生產(chǎn)制造成本。

4.3 活塞溫度太高且壓力太大

通過溫度塞測試，活塞表面溫度已達(dá)到430℃;活塞供應(yīng)商要求將活塞表面溫度降低至400℃;此款發(fā)動機(jī)對標(biāo)德國某高性能柴油發(fā)動機(jī)，項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)明確此發(fā)動機(jī)性能需達(dá)到國際一流，國內(nèi)領(lǐng)先水平;故無法通過更改標(biāo)定，降低發(fā)動機(jī)功率的方式來降低活塞溫度。

5? 解決方案

5.1 增大活塞冷卻噴嘴的流量——降低活塞溫度

增大活塞冷卻噴嘴直徑，由2mm提升至3mm，全開狀態(tài)噴油量由13L/min提升到27L/min，借此方式以更多的機(jī)油帶走活塞熱量，來降低活塞表面溫度。

5.2 更改鋁水取用方式——減少鋁液氧化皮

由塔式熔煉爐取代傾斜式熔煉爐，專門用于G91鋁合金材料的熔煉，以替代目前的保溫爐。

原傾斜式熔煉爐取鋁液的方式為從上方傾倒（見圖5），此種取鋁液方式會導(dǎo)致鋁液與空氣大面積且長時(shí)間接觸并發(fā)生攪動，從而導(dǎo)致產(chǎn)生大量氧化皮夾雜;而塔式熔煉爐可以從鋁液中層進(jìn)行取液（見圖6），此取液方式中鋁液與空氣接觸面積小且接觸時(shí)間短，大大降低了氧化皮的出現(xiàn)率。

5.3 增加去氧化皮頻率，減少鋁水使用時(shí)間——減少鋁液氧化皮

由于隨著鋁水靜置時(shí)間增長，鋁水中氧化皮數(shù)量會漸漸增多，故要求活塞供應(yīng)商修改壓鑄工藝文件，將去氧化皮的操作頻次由30分鐘/次改為20分鐘/次;而鋁水使用時(shí)間由6小時(shí)改為5小時(shí)，到達(dá)規(guī)定的時(shí)間后需重新熔煉，不得繼續(xù)使用。

6? 臺架驗(yàn)證

上述三種措施同步施行后，新狀態(tài)產(chǎn)品裝機(jī)經(jīng)過3輪冷熱沖擊臺架試驗(yàn)及3輪800小時(shí)耐久試驗(yàn)后拆機(jī)檢測均未發(fā)現(xiàn)活塞開裂現(xiàn)象，故視為已解決此類失效問題。

7? 總結(jié)

隨著對柴油發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步要求和探索，活塞作為柴油發(fā)動機(jī)中功能最核心的零件之一，工作環(huán)境卻也是最惡劣的，只有更高性能的活塞才能保障發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步提升。鋁合金雖然具有導(dǎo)熱性良好、密度小、成本相對較低的優(yōu)勢，但是已逐漸無法滿足柴油發(fā)動機(jī)性能提升的要求了。鍛鋼活塞將會是未來發(fā)展的趨勢，但是在鍛鋼活塞本身存在重量太大、激光焊接成品率低下及成本高昂的問題，在鍛鋼活塞解決這些問題前，鋁合金活塞仍會是主流的活塞方案。為滿足發(fā)動機(jī)性能，活塞廠商除了研制新型耐高溫材料外，仍需加強(qiáng)對加工工藝及設(shè)備進(jìn)一步的改良提升的重視。人-機(jī)-料-法-環(huán)，各個(gè)因數(shù)均需同步提升，這樣才能在合理的成本下充分利用鋁合金活塞的各種優(yōu)勢，進(jìn)一步探索鋁合金活塞的使用極限。

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