活塞裙部磨損失效分析

易國良，歐 陽

（貴州吉利發動機有限公司，貴州 貴陽 550000）

活塞是汽車發動機動力傳輸的核心構件之一，它的服役條件非常苛刻，工作時承受高溫高壓高速的“三高”壓力，因此，對于活塞材質、鑄造工藝等要求非常高。

某公司制造的汽油發動機活塞，市場用戶反饋汽車在正常行駛過程中，發動機出現抖動嚴重、噪聲大等現象，拆機發現第3缸活塞外表面出現異常磨損，出現材質脫落現象，3缸缸孔也存在異常磨損情況。

本文通過對故障活塞的宏觀檢查，機械性能檢測，化學成分及金相組織分析，斷口分析等技術手段，找出活塞故障發生的真因，提出問題解決的建議，避免后期出現同類問題。

1 原因分析

1.1 宏觀檢查

失效活塞的活塞裙部位置，出現部分材質脫離基體現象，宏觀外貌如圖 1、圖 2 所示。

圖1 故障件宏觀狀態

圖2 故障件宏觀狀態

將樣品進行線切割處理，截取斷口位置利用顯微鏡進行放大觀察，發現材質脫落部位斷口呈脆斷特征，內部呈顆粒狀，顆粒之間無磨損情況，如圖3、圖4所示。

圖3 故障件材質脫落區域20X

圖4 故障件材質脫落區域40X

1.2 硬度檢測

將宏觀檢測切割后剩余的部分進行硬度測試，實測數據如表1所示。

表1 實測活塞硬度值

根據標準 GB/T 1148—2010，活塞硬度的技術要求為 100 HBW～140 HBW，實際測量硬度為 102.6 HBW，雖然在技術要求范圍內，但是已經接近下限值。

1.3 化學成分

試驗采用的是故障活塞原件，材料牌號為BH135，試驗儀器采用德國斯派克SPECTRO MAXx型電火花直讀光譜儀，檢測標準《鋁及鋁合金光電直讀發射光譜分析方法》（GB/T 7999—2015），實測化學成分范圍如表2所示。從上述數據中可以看出，零件的材質Fe元素超過BH135技術要求。

表2 活塞化學成分表

1.4 斷口分析

切取材質脫離部分的樣塊，經AP760清洗液、超聲波清洗機清洗10分鐘，確保表面油污、雜質清洗干凈后，通過掃描電鏡觀察，發現未脫落部位存在裂紋，如圖5所示。

圖5 掃描電鏡分析

進一步能譜分析微區材質，選取樣件典型區域進行化學成分檢測，如圖6所示，發現主要含Fe元素，含量70%左右，如圖7所示。

圖6 材質分析區域

圖7 微區材質化學成分數據

1.5 金相分析

將故障件用線切機進行切割解剖，獲取磨損位置截面；再將樣塊鑲嵌，觀察截面部位金相組織。

如圖8所示，發現α(Al)相，塊狀及針狀共晶硅分布較均勻，針狀、魚骨狀的鐵相夾雜較大，最大尺寸達到了400 μm，如圖9所示，根據《內燃機鑄造鋁活塞金相檢驗》（JB/T 6289—2005）標準進行評級：魚骨狀鐵相夾雜級別為 5 級； 針狀鐵相夾雜級別為 6 級；超過技術要求4級的標準。

圖8 故障部位金相組織

圖9 故障部位金相組織

2 結果分析

（1）根據標準 GB/T 1148—2010，硬度應為100 HBW～140 HBW之間。而該活塞的硬度為102.6 HBW，雖然在技術要求合格范圍內，但是已十分接近標準下限值，說明活塞原材料或在熱處理過程可能存在異常。

（2）從故障活塞的失效部位取樣，經AP760清洗液，用超聲波清洗機清洗10分鐘后，對材質進行光譜分析，從化學成分來看，實測Fe元素0.79%，超過Fe≤0.5%的技術要求。從掃描電鏡能譜分析結果來看，也發現失效部位存在大量鐵元素。

（3）從金相組織分析來看，故障件內部存在較大的針狀及魚骨狀鐵相夾雜，最大尺寸達到了400 μm，超過了JB/T 6289—2005中的技術要求。

3 結論與建議

通過對失效活塞故障部位進行剖切，專用清洗液超聲波充分清洗，并在預磨時用粗砂紙充分打磨，去除線切割過程熱影響區后，斷口顯微觀察和斷口掃描，發現材質脫落部位斷裂呈脆斷特征，進一步硬度、成分分析和金相檢查，發現雜質元素鐵含量過高，造成合金中產生粗大的魚骨狀和針狀鐵相雜質，脆硬的夾雜在活塞服役條件 下運動受力產生裂紋，最終失穩擴展、脫落，造成活塞失效。

鐵含量超標是造成活塞失效的重要原因之一，對此提出以下改進意見：

（1）鑄造鋁合金在鑄造過程中，應進行充分的精煉和變質處理，減少雜質元素含量，獲得良好的基體組織，盡量減少基體組織中粗大針狀鐵相雜質對材料塑性的影響。

（2）鋁合金中針狀Fe相的形成、長大，其實跟冷卻速度和Mn含量密切相關，因此，在活塞鑄造過程中需充分考慮此因素。