应急柴油发电机缸套与活塞断裂失效分析

马小明，赵 敏

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640）

0 引 言

某单位的一台应急柴油发电机在累计运行了约700h后发生机体开裂，经现场勘察，发现2只活塞发生断裂且柴油机的部分机壳被击穿，活塞连杆断裂。其中活塞裙和活塞头损坏情况最严重，活塞和缸套解体成大小不一的碎片，活塞的材料为EN AC－AL Si17Cu4Mg，缸套的材料为铬钼铜铸铁。为分析活塞与缸套失效的原因，作者对现场提取的活塞和缸套碎片进行了理化检验与分析。

1 理化检验及结果

1.1 断口宏观形貌

将从现场提取的活塞与缸套碎片依据材料、壁厚、形状的差异进行宏观分类，按碎片部位和断口外观形貌进行还原性组对，并对缸套碎片逐一进行编号（图1），按照其受到的撞击次数登记造表，目的是通过对碎片及断口观察，分析碎片产生过程及失效的次序［1］。

宏观分析发现，缸套大部分碎片表面存在因拉缸造成的磨损和犁沟痕迹，机壳碎片色泽较深，无明显塑性变形，断口呈宏观脆性断裂特征，机壳内表面存在撞击产生的凹坑；活塞连杆发生扭曲，表明拉缸造成活塞卡死，连杆运动受阻产生变形。由图2可见，活塞碎片的断口呈撕裂形貌，个别处存在疑似疲劳断口的宏观条纹，但条纹间区域较为粗糙，表明碎片受力方向如图2中箭头所示；距离活塞头越近，该部位撕裂越明显，并存在层状剥落；活塞碎片的断口存在清晰的人字形条纹，条纹收缩端指向裂纹的起源处，条纹扩散端为裂纹的扩展方向［2］；活塞头存在明显的半圆弧形气门撞击痕迹。

初步判断柴油机在定期保养性运转过程中，气门与活塞顶部曾发生碰撞，导致裂纹从碰撞处开裂，呈现宏观阶梯状形貌，裂纹扩展并在活塞头密封槽处交叉。

1.2 曲轴箱润滑油含水量

从现场曲轴箱提取一瓶润滑油，通过过滤分离法发现润滑油中水分含量很高。润滑油系统的含水量是一个重要指标，润滑油中含水量超标会造成润滑油黏度降低，难以形成有效润滑油膜；另一方面，活塞环与缸套间的间隙应尽可能小，否则接触表面易超负荷。在没有形成有效润滑油膜的情况下，缸套表面与活塞环工作面直接接触而剧烈摩擦，产生大量的摩擦热，工作表面的温度急剧上升，导致两个摩擦表面产生熔接粘附，最终造成拉缸。

1.3 化学成分

缸套与活塞碎片的化学成分分析结果见表1，2。缸套材料为铸铁，对比文献［3］汽缸套用耐磨铸铁化学成分可知，缸套材料中磷含量偏高，铜含量偏低。磷属于有害元素，会增加钢的冷脆性，降低塑性，使冷弯性能变差［4］。活塞的材料为EN AC－Al Si17Cu4Mg，将检测结果与DIN EN 1706－2010标准相比可知硅、镍、铁含量略偏高。

表1 缸套化学成分分析结果（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the cylinder liner（mass）%

表2 活塞化学成分分析结果（质量分数）Tab.2 Chemical composition of the piston（mass）%

1.4 显微组织

根据GB 13298－1991《金属显微组织检验方法》分别从活塞和缸套碎片中切取金相试样，然后对试样进行高精度抛光。先观测浸蚀前的组织形貌，之后用体积分数4%硝酸酒精溶液浸蚀缸套金相试样。活塞金相试样通过质量分数15%NaOH水溶液浸蚀后，用体积分数30%HNO3水溶液进行中和，以去除表面氧化膜。所有制备的金相试样采用DMM－400C型光学显微镜进行低倍检验和显微组织观察。

1.4.1 缸 套

由图3（a）可见，缸套材料中存在大量网状石墨与短片状石墨，网状石墨与短片状石墨分布均匀，既有初生的石墨，又有细小短片的共晶石墨共存。根据GB／T 7216－2009《灰铸铁金相检验》标准规定，该组织为F型石墨，石墨长度相当于5级。由图3（b）可见，灰色（部分呈黑色）片状组织为石墨，基体为层状珠光体及白色铁素体［5］。根据GB／T 7216－2009《灰铸铁金相检验》标准规定，对珠光体数量分8级进行评定，被评为8级。

F型石墨具有良好的耐磨性能，石墨长度为5级，表明石墨长度较短，而铸铁的抗弯和抗拉性能随石墨长度的减小而增大，故缸套有较好的抗弯和抗拉性能。金相检验表明缸套组织无明显缺陷。

1.4.2 活 塞

从图4（a）可见，活塞为过共晶铝硅合金，显微组织由粗大片状多角形的初晶硅和粗针状的共晶硅所组成，为典型铸造铝硅合金未变质处理的组织。根据JB／T 6289－2005《内燃机铸造铝活塞金相检验标准》规定，组织评定为5级，级别大于4为不合格。由图4（b）可见，组织中有灰黑色的带状杂质。该带状杂质由密集的铁相杂质点构成，呈一定方向覆盖在基体表面。

根据上述检验标准，共晶铝硅合金（钠盐变质）应为细小的α－固溶体和硅的共晶组织，共晶硅应是小点状及细小条状，不得有明显变质不良的条状硅，大块的初晶硅，或粗大的α－固溶体存在，更不允许有过烧及裂纹等现象出现。因此，断裂活塞组织存在组织缺陷，降低了活塞的力学性能。

1.5 断口微观形貌

选取缸套和活塞的不同位置的碎片经超声波反复清洗，置于扫描电子显微镜下进行微观断口分析。由图5可见，缸套碎片断口表面存在微裂纹，呈泥块状形貌，并附着少量球状氧化物，局部可观测到完整的晶体解理平面表明该断口属于脆性断口；晶内密布的二次裂纹，类似剥落特征，方向性不明显。

由图6可见，活塞碎片的断裂介于脆性和韧性之间；断口存在完整的剥落晶粒，剥落处形成的凹坑内存在大小不一的浅色球状氧化物，氧化物沿着凹坑壁呈絮状分层填充；裂纹集中分布，有明显的粉碎形貌；微裂纹扩展构成台阶特征，有平整的晶粒面，沿晶扩展。

1.6 断口的能谱

对内表面磨损、撞击严重的缸套碎片的内表面及活塞碎片外表面进行能谱分析，试验仪器为HITACHI S3700型扫描电子显微镜附带能谱仪，其分辨率为3nm，放大倍率为6～300 000倍。分析结果如下：（1）缸套碎片内表面存在较高含量的铝和硅元素，活塞碎片外表面也存在大量的铁元素，其含量都远远高于化学成分分析中的元素含量，可见活塞和缸套摩擦表面存在熔接粘附。（2）活塞碎片不同位置铁元素含量明显不同，表明活塞曾受到气门严重撞击。

表3 缸套、活塞能谱分析结果（质量分数）Tab.3 EDS results of the cylinder liner and the piston（mass）%

1.7 硬 度

使用 MVC－1000A1／MVC－1000D1型显微硬度计对缸套与活塞试样进行硬度检验，分别取10点测试平均值。结果表明，活塞的硬度为124.8HV，对应的布氏硬度约为119.0HB，符合DIN EN 1706－2010标准中EN AC－Al Si17Cu4Mg的硬度范围为90～125HB的要求。缸套的硬度为226.6HV，对应的布氏硬度约为215.6HB，符合文献［3］缸套用耐磨铸铁的力学性能及用途表中缸套硬度范围应为202～255HB的要求。

2 断裂原因分析

综上所述，活塞与缸套的失效过程如下：由于活塞材质不合格，存在组织缺陷，造成性能下降，在工作中因受载而先破裂，加之缸套的润滑不良产生拉缸，促进了活塞的解体，产生的碎片撞击缸套，造成后者破裂。最终导致了该柴油发电机组发生机损事故。

3 结论与建议

（1）失效原因为活塞所用共晶铝硅合金未经变质处理，造成性能不佳所致。同时缸套润滑条件不良，产生拉缸现象，加速了活塞的解体，产生了活塞碎片，进一步撞击缸套造成机损事故。

（2）建议从活塞、缸套的选材、制造、质量保证、监测、维修等多方面提高技术水平，确保活塞质量。另外，润滑油应经检验合格后方能使用，并应定期跟踪监测。

［1］马小明，高立，陈宁璋.柴油发电机组活塞及缸套断裂失效分析［J］.机械制造，2004，42（12）：64－66.

［2］廖景娱，刘正义.金属构件失效分析［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［3］刘胜新.新编钢铁材料手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］姜锡山.特殊钢缺陷分析与对策［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［5］任颂赞，张静江，陈质如，等.钢铁金相图谱 ［M］.上海：上海科学技术文献出版社，2003.