應急柴油發電機缸套與活塞斷裂失效分析

馬小明，趙 敏

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640）

0 引 言

某單位的一臺應急柴油發電機在累計運行了約700h后發生機體開裂，經現場勘察，發現2只活塞發生斷裂且柴油機的部分機殼被擊穿，活塞連桿斷裂。其中活塞裙和活塞頭損壞情況最嚴重，活塞和缸套解體成大小不一的碎片，活塞的材料為EN AC－AL Si17Cu4Mg，缸套的材料為鉻鉬銅鑄鐵。為分析活塞與缸套失效的原因，作者對現場提取的活塞和缸套碎片進行了理化檢驗與分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口宏觀形貌

將從現場提取的活塞與缸套碎片依據材料、壁厚、形狀的差異進行宏觀分類，按碎片部位和斷口外觀形貌進行還原性組對，并對缸套碎片逐一進行編號（圖1），按照其受到的撞擊次數登記造表，目的是通過對碎片及斷口觀察，分析碎片產生過程及失效的次序［1］。

宏觀分析發現，缸套大部分碎片表面存在因拉缸造成的磨損和犁溝痕跡，機殼碎片色澤較深，無明顯塑性變形，斷口呈宏觀脆性斷裂特征，機殼內表面存在撞擊產生的凹坑；活塞連桿發生扭曲，表明拉缸造成活塞卡死，連桿運動受阻產生變形。由圖2可見，活塞碎片的斷口呈撕裂形貌，個別處存在疑似疲勞斷口的宏觀條紋，但條紋間區域較為粗糙，表明碎片受力方向如圖2中箭頭所示；距離活塞頭越近，該部位撕裂越明顯，并存在層狀剝落；活塞碎片的斷口存在清晰的人字形條紋，條紋收縮端指向裂紋的起源處，條紋擴散端為裂紋的擴展方向［2］；活塞頭存在明顯的半圓弧形氣門撞擊痕跡。

初步判斷柴油機在定期保養性運轉過程中，氣門與活塞頂部曾發生碰撞，導致裂紋從碰撞處開裂，呈現宏觀階梯狀形貌，裂紋擴展并在活塞頭密封槽處交叉。

1.2 曲軸箱潤滑油含水量

從現場曲軸箱提取一瓶潤滑油，通過過濾分離法發現潤滑油中水分含量很高。潤滑油系統的含水量是一個重要指標，潤滑油中含水量超標會造成潤滑油黏度降低，難以形成有效潤滑油膜；另一方面，活塞環與缸套間的間隙應盡可能小，否則接觸表面易超負荷。在沒有形成有效潤滑油膜的情況下，缸套表面與活塞環工作面直接接觸而劇烈摩擦，產生大量的摩擦熱，工作表面的溫度急劇上升，導致兩個摩擦表面產生熔接粘附，最終造成拉缸。

1.3 化學成分

缸套與活塞碎片的化學成分分析結果見表1，2。缸套材料為鑄鐵，對比文獻［3］汽缸套用耐磨鑄鐵化學成分可知，缸套材料中磷含量偏高，銅含量偏低。磷屬于有害元素，會增加鋼的冷脆性，降低塑性，使冷彎性能變差［4］。活塞的材料為EN AC－Al Si17Cu4Mg，將檢測結果與DIN EN 1706－2010標準相比可知硅、鎳、鐵含量略偏高。

表1 缸套化學成分分析結果（質量分數）Tab.1 Chemical composition of the cylinder liner（mass）%

表2 活塞化學成分分析結果（質量分數）Tab.2 Chemical composition of the piston（mass）%

1.4 顯微組織

根據GB 13298－1991《金屬顯微組織檢驗方法》分別從活塞和缸套碎片中切取金相試樣，然后對試樣進行高精度拋光。先觀測浸蝕前的組織形貌，之后用體積分數4%硝酸酒精溶液浸蝕缸套金相試樣。活塞金相試樣通過質量分數15%NaOH水溶液浸蝕后，用體積分數30%HNO3水溶液進行中和，以去除表面氧化膜。所有制備的金相試樣采用DMM－400C型光學顯微鏡進行低倍檢驗和顯微組織觀察。

1.4.1 缸 套

由圖3（a）可見，缸套材料中存在大量網狀石墨與短片狀石墨，網狀石墨與短片狀石墨分布均勻，既有初生的石墨，又有細小短片的共晶石墨共存。根據GB／T 7216－2009《灰鑄鐵金相檢驗》標準規定，該組織為F型石墨，石墨長度相當于5級。由圖3（b）可見，灰色（部分呈黑色）片狀組織為石墨，基體為層狀珠光體及白色鐵素體［5］。根據GB／T 7216－2009《灰鑄鐵金相檢驗》標準規定，對珠光體數量分8級進行評定，被評為8級。

F型石墨具有良好的耐磨性能，石墨長度為5級，表明石墨長度較短，而鑄鐵的抗彎和抗拉性能隨石墨長度的減小而增大，故缸套有較好的抗彎和抗拉性能。金相檢驗表明缸套組織無明顯缺陷。

1.4.2 活 塞

從圖4（a）可見，活塞為過共晶鋁硅合金，顯微組織由粗大片狀多角形的初晶硅和粗針狀的共晶硅所組成，為典型鑄造鋁硅合金未變質處理的組織。根據JB／T 6289－2005《內燃機鑄造鋁活塞金相檢驗標準》規定，組織評定為5級，級別大于4為不合格。由圖4（b）可見，組織中有灰黑色的帶狀雜質。該帶狀雜質由密集的鐵相雜質點構成，呈一定方向覆蓋在基體表面。

根據上述檢驗標準，共晶鋁硅合金（鈉鹽變質）應為細小的α－固溶體和硅的共晶組織，共晶硅應是小點狀及細小條狀，不得有明顯變質不良的條狀硅，大塊的初晶硅，或粗大的α－固溶體存在，更不允許有過燒及裂紋等現象出現。因此，斷裂活塞組織存在組織缺陷，降低了活塞的力學性能。

1.5 斷口微觀形貌

選取缸套和活塞的不同位置的碎片經超聲波反復清洗，置于掃描電子顯微鏡下進行微觀斷口分析。由圖5可見，缸套碎片斷口表面存在微裂紋，呈泥塊狀形貌，并附著少量球狀氧化物，局部可觀測到完整的晶體解理平面表明該斷口屬于脆性斷口；晶內密布的二次裂紋，類似剝落特征，方向性不明顯。

由圖6可見，活塞碎片的斷裂介于脆性和韌性之間；斷口存在完整的剝落晶粒，剝落處形成的凹坑內存在大小不一的淺色球狀氧化物，氧化物沿著凹坑壁呈絮狀分層填充；裂紋集中分布，有明顯的粉碎形貌；微裂紋擴展構成臺階特征，有平整的晶粒面，沿晶擴展。

1.6 斷口的能譜

對內表面磨損、撞擊嚴重的缸套碎片的內表面及活塞碎片外表面進行能譜分析，試驗儀器為HITACHI S3700型掃描電子顯微鏡附帶能譜儀，其分辨率為3nm，放大倍率為6～300 000倍。分析結果如下：（1）缸套碎片內表面存在較高含量的鋁和硅元素，活塞碎片外表面也存在大量的鐵元素，其含量都遠遠高于化學成分分析中的元素含量，可見活塞和缸套摩擦表面存在熔接粘附。（2）活塞碎片不同位置鐵元素含量明顯不同，表明活塞曾受到氣門嚴重撞擊。

表3 缸套、活塞能譜分析結果（質量分數）Tab.3 EDS results of the cylinder liner and the piston（mass）%

1.7 硬 度

使用 MVC－1000A1／MVC－1000D1型顯微硬度計對缸套與活塞試樣進行硬度檢驗，分別取10點測試平均值。結果表明，活塞的硬度為124.8HV，對應的布氏硬度約為119.0HB，符合DIN EN 1706－2010標準中EN AC－Al Si17Cu4Mg的硬度范圍為90～125HB的要求。缸套的硬度為226.6HV，對應的布氏硬度約為215.6HB，符合文獻［3］缸套用耐磨鑄鐵的力學性能及用途表中缸套硬度范圍應為202～255HB的要求。

2 斷裂原因分析

綜上所述，活塞與缸套的失效過程如下：由于活塞材質不合格，存在組織缺陷，造成性能下降，在工作中因受載而先破裂，加之缸套的潤滑不良產生拉缸，促進了活塞的解體，產生的碎片撞擊缸套，造成后者破裂。最終導致了該柴油發電機組發生機損事故。

3 結論與建議

（1）失效原因為活塞所用共晶鋁硅合金未經變質處理，造成性能不佳所致。同時缸套潤滑條件不良，產生拉缸現象，加速了活塞的解體，產生了活塞碎片，進一步撞擊缸套造成機損事故。

（2）建議從活塞、缸套的選材、制造、質量保證、監測、維修等多方面提高技術水平，確保活塞質量。另外，潤滑油應經檢驗合格后方能使用，并應定期跟蹤監測。

［1］馬小明，高立，陳寧璋.柴油發電機組活塞及缸套斷裂失效分析［J］.機械制造，2004，42（12）：64－66.

［2］廖景娛，劉正義.金屬構件失效分析［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［3］劉勝新.新編鋼鐵材料手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］姜錫山.特殊鋼缺陷分析與對策［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［5］任頌贊，張靜江，陳質如，等.鋼鐵金相圖譜 ［M］.上海：上海科學技術文獻出版社，2003.