活塞裙部磨损失效分析

易国良，欧 阳

（贵州吉利发动机有限公司，贵州 贵阳 550000）

活塞是汽车发动机动力传输的核心构件之一，它的服役条件非常苛刻，工作时承受高温高压高速的“三高”压力，因此，对于活塞材质、铸造工艺等要求非常高。

某公司制造的汽油发动机活塞，市场用户反馈汽车在正常行驶过程中，发动机出现抖动严重、噪声大等现象，拆机发现第3缸活塞外表面出现异常磨损，出现材质脱落现象，3缸缸孔也存在异常磨损情况。

本文通过对故障活塞的宏观检查，机械性能检测，化学成分及金相组织分析，断口分析等技术手段，找出活塞故障发生的真因，提出问题解决的建议，避免后期出现同类问题。

1 原因分析

1.1 宏观检查

失效活塞的活塞裙部位置，出现部分材质脱离基体现象，宏观外貌如图 1、图 2 所示。

图1 故障件宏观状态

图2 故障件宏观状态

将样品进行线切割处理，截取断口位置利用显微镜进行放大观察，发现材质脱落部位断口呈脆断特征，内部呈颗粒状，颗粒之间无磨损情况，如图3、图4所示。

图3 故障件材质脱落区域20X

图4 故障件材质脱落区域40X

1.2 硬度检测

将宏观检测切割后剩余的部分进行硬度测试，实测数据如表1所示。

表1 实测活塞硬度值

根据标准 GB/T 1148—2010，活塞硬度的技术要求为 100 HBW～140 HBW，实际测量硬度为 102.6 HBW，虽然在技术要求范围内，但是已经接近下限值。

1.3 化学成分

试验采用的是故障活塞原件，材料牌号为BH135，试验仪器采用德国斯派克SPECTRO MAXx型电火花直读光谱仪，检测标准《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》（GB/T 7999—2015），实测化学成分范围如表2所示。从上述数据中可以看出，零件的材质Fe元素超过BH135技术要求。

表2 活塞化学成分表

1.4 断口分析

切取材质脱离部分的样块，经AP760清洗液、超声波清洗机清洗10分钟，确保表面油污、杂质清洗干净后，通过扫描电镜观察，发现未脱落部位存在裂纹，如图5所示。

图5 扫描电镜分析

进一步能谱分析微区材质，选取样件典型区域进行化学成分检测，如图6所示，发现主要含Fe元素，含量70%左右，如图7所示。

图6 材质分析区域

图7 微区材质化学成分数据

1.5 金相分析

将故障件用线切机进行切割解剖，获取磨损位置截面；再将样块镶嵌，观察截面部位金相组织。

如图8所示，发现α(Al)相，块状及针状共晶硅分布较均匀，针状、鱼骨状的铁相夹杂较大，最大尺寸达到了400 μm，如图9所示，根据《内燃机铸造铝活塞金相检验》（JB/T 6289—2005）标准进行评级：鱼骨状铁相夹杂级别为 5 级； 针状铁相夹杂级别为 6 级；超过技术要求4级的标准。

图8 故障部位金相组织

图9 故障部位金相组织

2 结果分析

（1）根据标准 GB/T 1148—2010，硬度应为100 HBW～140 HBW之间。而该活塞的硬度为102.6 HBW，虽然在技术要求合格范围内，但是已十分接近标准下限值，说明活塞原材料或在热处理过程可能存在异常。

（2）从故障活塞的失效部位取样，经AP760清洗液，用超声波清洗机清洗10分钟后，对材质进行光谱分析，从化学成分来看，实测Fe元素0.79%，超过Fe≤0.5%的技术要求。从扫描电镜能谱分析结果来看，也发现失效部位存在大量铁元素。

（3）从金相组织分析来看，故障件内部存在较大的针状及鱼骨状铁相夹杂，最大尺寸达到了400 μm，超过了JB/T 6289—2005中的技术要求。

3 结论与建议

通过对失效活塞故障部位进行剖切，专用清洗液超声波充分清洗，并在预磨时用粗砂纸充分打磨，去除线切割过程热影响区后，断口显微观察和断口扫描，发现材质脱落部位断裂呈脆断特征，进一步硬度、成分分析和金相检查，发现杂质元素铁含量过高，造成合金中产生粗大的鱼骨状和针状铁相杂质，脆硬的夹杂在活塞服役条件 下运动受力产生裂纹，最终失稳扩展、脱落，造成活塞失效。

铁含量超标是造成活塞失效的重要原因之一，对此提出以下改进意见：

（1）铸造铝合金在铸造过程中，应进行充分的精炼和变质处理，减少杂质元素含量，获得良好的基体组织，尽量减少基体组织中粗大针状铁相杂质对材料塑性的影响。

（2）铝合金中针状Fe相的形成、长大，其实跟冷却速度和Mn含量密切相关，因此，在活塞铸造过程中需充分考虑此因素。