汽車發動機活塞環裝配斷裂分析

孔新建，張明旺

浙江零跑汽車有限公司 浙江杭州 310053

1 序言

活塞環是一個關鍵的汽車發動機零部件，從形狀上看是具有一定開口的金屬環，應具有足夠高的耐蝕性和耐磨性[1]。目前汽車發動機活塞環主要使用綜合性能優異的合金鋼產品[2]，例如高鉻馬氏體鋼活塞環，表面氮化處理與PVD處理可顯著提高其強度和耐磨性[3-4]。某型號汽車發動機活塞環的材質為9Cr18MoV馬氏體不銹鋼，活塞環表面經氮化處理+PVD處理，裝配工人作業時發生多起活塞環斷裂事件。背景調查發現，工人嚴格按照作業指導書進行裝配操作，無違規操作，活塞環卻發生異常斷裂。本文重點研究分析活塞環斷裂失效的原因，協助制定相應的整改措施。

圖1 活塞環斷裂位置

2 試驗結果

2.1 斷口觀察

活塞環試樣經超聲波清洗后，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。根據斷口形貌特征判斷，斷口裂紋源區位于內側面的表面淬硬層內部，而外側面終斷區有層狀撕裂特征。裂紋源區呈準解理形貌特征，如圖3所示。斷口外表面整周深約0.05mm區域呈準解理形貌，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。活塞環斷面的心部（屬裂紋擴展區）觀察到韌窩形貌特征，如圖4所示。

圖2 斷口形貌特征

圖3 裂紋源區準解理形貌特征

圖4 裂紋擴展區韌窩形貌特征

2.2 金相檢驗

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

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。結果發現，在活塞環內側面的氮化層區域內存在3條微裂紋，斷續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中繼續抽檢，也在氮化層內發現了類似的微裂紋，證實了這并非偶然現象，而是普遍存在的。供應商未出廠的同一批次產品也進行隨機抽檢，并未發現任何顯微裂紋。經追溯性調查證實，物流轉運過程中保護措施不到位，活塞環受到相互擠壓和撞擊，在硬而脆的氮化層區域內產生了微裂紋，如圖6所示。

圖6 活塞表面氮化層內的顯微裂紋

3 分析與討論

根據以上試驗結果，活塞環的氮化處理與PVD處理的結果符合規范要求。

在物流轉運過程中，活塞環表面氮化層內產生了微裂紋。在裝配過程中，當受到較低的工作應力時，原來存在的微裂紋尖端產生應力集中，微裂紋通過準解理機制迅速擴展到較大的范圍；又因活塞環表層硬化區斷裂韌性差，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；最終瞬斷區為外側面邊緣處硬度極高的PVD層，形成層狀撕裂形貌。

4 結束語

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

1）活塞環的氮化層深度與PVD層深度均符合規范要求。

2）物流轉運過程中保護不當，致使氮化層區域內產生微裂紋，是活塞環在裝配過程發生斷裂的根本原因。