浅析柴油机气缸套穴蚀和断裂的形成及预防措施

曾惠敏

摘要：气缸套穴蚀、断裂是柴油机工作中常常出现的故障，为了减少气缸套出现穴蚀和断裂，降低柴油机故障率，减少用户经济损失，文章对气缸套穴蚀和断裂故障的形成进行了分析，并提出了有效预防措施。

关键词：气缸套;穴蚀;断裂;预防措施

0  引言

柴油机的应用十分普遍，广泛应用于工程机械、农用机械、交通运输、船舶动力、发电机组等领域。气缸套作为柴油机的核心零件之一，对柴油机的动力性能，尾气排放有着重要的影响，决定了柴油机的可靠性和使用寿命。气缸套常见的故障形式有磨损、拉缸、穴蚀、断裂等，笔者主要针对气缸套的穴蚀和断裂故障进行探讨，分析其产生机理、原因并提出有效的预防措施。

1  穴蚀

柴油机工作过程中，湿式气缸套外表面与冷却液接触的局部位置，会出现呈蜂窝状密集的针状孔洞，这种现象称为“穴蚀”。穴蚀现象产生的孔洞，外表面清洁干净，没有腐蚀生成物覆盖。随着时间的推移，这些针状孔洞逐渐扩大、加深，最终发展成深孔或者裂纹，甚至穿透气缸套外壁，造成柴油机故障，给用户带来较大的经济损失。如图1所示，气缸套产生了穴蚀现象。

气缸套穴蚀区域主要分布情况：①连杆摆动平面的两侧，易形成带状的深孔群，其中在活塞主推力一侧特别严重;②冷却水入口处，水流转向处以及水套狭窄处，易形成蜂窝状孔洞;③气缸套支承以及上、下配合密封处附近，易形成蠕虫状、条状凹坑。

1.1 穴蚀产生机理

空泡腐蚀：发动机活塞往复运动时受侧推力的作用，反复地撞击气缸套内表面，使气缸套产生高频振动。由于气缸套的高频振动，气缸套不断地产生向外弯曲和向内收缩的变形，使得气缸套外壁的冷却水，时而产生压缩，时而产生拉伸。当冷却水受拉伸时，压力急剧降低，低到该水温对应的饱和蒸汽压时，引起冷却水气化产生大量的气泡，附着在气缸套外壁上。当冷却水受压缩时，产生瞬时高压，导致气泡溃灭，气泡溃灭时对气缸套外壁造成局部高温高压的冲击。周而复始的冲击，造成气缸套表面金属疲劳而剥落，逐渐形成针孔状孔洞。

电化学腐蚀：气缸套一般采用铸铁制造，而冷却水中含有一定的杂质、氧气等，在一定的条件下容易形成电化学腐蚀。另外，由于空泡腐蚀使得气缸套表面金属剥落形成孔洞，露出了金属本体，破坏了气缸套表面的氧化层，加速了电化学腐蚀。电化学腐蚀导致金属表面疏松，又加速了空泡腐蚀下金属剥落的破坏。

气缸套穴蚀的形成是一个很复杂的过程，不仅有空泡腐蚀、电化学腐蚀，还有化学腐蚀、冲刷腐蚀等，它们相互影响，相互促进，加速了气缸套的穴蚀破坏。

1.2 预防措施

1.2.1 减轻气缸套的振动

①尽量减小气缸套与活塞的配合间隙，有利于降低柴油机运行中活塞对气缸套内壁的冲击能量，从而达到减轻气缸套振动的目的。

②合理增加气缸套壁厚，以提高气缸套自振频率，提高气缸套自身刚度。

③适当减小气缸套与缸体上、下支承之间的跨距，减小气缸套上、下腰带与缸体的配合间隙，以提高气缸套的支承刚度。

1.2.2 改善冷却系统

①合理设计冷却水腔结构，保证水腔宽度≥10mm，避免出现局部狭窄区、滞流区和涡流区。

②向冷却水中加入添加剂，如：无机缓蚀剂、乳化防锈油等，可以在气缸套外表面形成保护膜，不仅能够有效预防电化学腐蚀，还可以减缓、减轻穴蚀破坏。

③采用闭式冷却系统，实践证明控制冷却水的温度在80-90℃范围内，压力在100-120KPa范围内，穴蚀不易发生。

1.2.3 改善气缸套材质

改变柴油机气缸套传统的铸铁材料，采用石墨形态好、金相组织均匀致密的合金铸铁材质。合金铸铁材质可以提高气缸套的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，能够提高气缸套的抗穴蚀能力，提高气缸套的使用性能。

1.2.4 增加气缸套外表面保护

对气缸套外表面进行保护处理，如采用镀铬、氮化、磷化、涂敷环氧酚醛树脂、涂油漆等方式，在气缸套外表面形成强化层或者保护层，有效提高气缸套抗腐蚀、抗穴蚀能力，延长气缸套使用寿命。

2  断裂

气缸套作为柴油机的核心零件之一，其工作环境十分恶劣。气缸套内表面不仅要承受燃烧高温高压的作用，还要承受活塞的侧推力、滑动摩擦力的作用，而外表面往往与冷却水接触，当温差较大时，气缸套内、外表面容易产生严重的热应力。另外，气缸套还需要承受安装缸盖时传递给气缸套的安装预紧力。当气缸套因为种种原因，不能满足这些使用条件时，容易在支承肩下方退刀槽处产生疲劳破坏，造成气缸套支承肩断裂，导致柴油机发生故障。如图2所示，气缸套出现了支承肩断裂故障。

2.1 断裂产生的原因

2.1.1 毛坯铸造时产生缺陷

在铸铁中加入适量的合金元素，可以提高气缸套材质的使用性能。如果材料化学元素成分控制不当，易导致毛坯材质机械性能不符合发动机设计要求，气缸套使用中很可能产生断裂。另外，如果鑄造工艺控制不好，易造成石墨粗大、超长，或产生过冷石墨，硬质相严重偏析等，均会降低材料的抗拉强度，导致气缸套出现断裂。

2.1.2 机械加工时产生缺陷

①气缸套支承肩下端面与气缸套外圆连接处设计有退刀槽，退刀槽与支承肩下端面为圆弧过渡。若加工过渡圆弧R半径过大，会与缸体缸孔倒角干涉。气缸套安装时，圆弧凸出部分接触到支承肩孔的端面，使得气缸套支承肩靠外侧部分悬空。在安装压紧力的作用下，易造成气缸套裂纹或断裂。

若加工过渡圆弧R半径过小，会产生应力集中。活塞运行中使气缸套产生振动，在退刀槽处产生交变应力，使退刀槽处产生疲劳，当超出材料的极限疲劳强度时，便出现裂纹并逐渐扩大，直至形成断裂。

②气缸套支承肩下端面相对于气缸套中心轴线的垂直度超差，使得气缸套在缸体中倾斜安装，增加了活塞运动的阻力，加大了活塞对气缸套的作用力，导致气缸套振动，易产生疲劳断裂。另外，在支承肩压紧螺栓时，由于下支撑面的阻挡，可能会导致将支承肩直接压断。

2.1.3 安装原因引起断裂

①安装之前，没有将气缸套和缸体支承肩孔清理到位，存在毛刺、铁锈等污物，或者在支承肩下端面、缸体支承肩孔底部表面涂刷胶或者油漆，使得气缸套凸台上端面超出缸体上面位置高度超差。当压紧缸盖螺栓时，支承肩受力过大，可能会引起支承肩断裂。

②使用气缸垫品质不合格，或者错配错装了不匹配的气缸套或气缸垫。缸盖螺栓拧紧顺序、次数及拧紧力矩不当，导致缸盖压紧力不符合装配要求。压装气缸套时未使用专用工具、进行不合理敲击等。这些不当的安装操作，均易导致支承肩断裂。

2.2 预防措施

①严格控制气缸套毛坯的铸造工艺，确保其化学成分、金相组织符合标准，保证气缸套材质的机械性能符合设计要求。

②加强气缸套机械加工的过程控制，确保其机加工质量，保证气缸套各部分的尺寸和公差、形位公差符合图纸要求，否则会引起气缸套安装误差，最终有可能导致气缸套在使用中断裂。

③安装过程要规范严格，保证气缸套和缸体的清洁，不得强行压装。注意活塞和气缸套的配合间隙不能太小，以防引起润滑不良，形成干摩擦，情况严重时将气缸套拉断。

④柴油机使用中避免长时间超负荷工作，避免加速太快、油门加太大，防止气缸套受力状况恶化，产生裂纹现象。避免在高温状态下骤加冷却水，防止气缸套产生变形，而引发断裂。

3  结束语

综上所述，穴蚀、断裂是气缸套使用过程中常见的两种失效模式，造成穴蚀和断裂的因素是复杂而且多样的，穴蚀、断裂的产生因素贯穿于气缸套产品的设计、制造、安装、使用和保养的整个过程。我们很难做到绝对地避免穴蚀和断裂，但通过我们采取有效预防措施，可以减缓减轻穴蚀，减少断裂，延长气缸套的使用寿命，减少柴油机运行故障。

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