QD32發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔缺陷分析及對(duì)策研究

夏紹彤

(東風(fēng)朝陽(yáng)朝柴動(dòng)力有限公司，遼寧 朝陽(yáng)122000)

0 引言

QD32發(fā)動(dòng)機(jī)為排量3.2 L的直列、四沖程柴油機(jī)，其缸孔內(nèi)無(wú)氣缸套，缸孔內(nèi)表面既是活塞環(huán)的裝配表面又是工作表面，缸孔內(nèi)表面質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和發(fā)動(dòng)機(jī)磨合效率。QD32發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔內(nèi)表面為平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋表面[1]，表面形狀為深溝槽與小平臺(tái)均勻相間的交叉網(wǎng)紋。珩磨網(wǎng)紋的網(wǎng)紋夾角、溝槽深度和數(shù)量、輪廓圖形的偏斜度、輪廓支承長(zhǎng)度率以及表面層的加工質(zhì)量等有相應(yīng)的技術(shù)要求。在實(shí)際生產(chǎn)熱加工過(guò)程中缸體在鑄件澆鑄成型時(shí)，受原材料、澆鑄溫度、孕育等影響，易出現(xiàn)砂眼、氣孔、縮松、夾渣、冷隔等鑄造缺陷。在冷加工過(guò)程中出現(xiàn)飛邊、毛刺、擠壓、網(wǎng)紋成型不合格等缺陷。如何準(zhǔn)確判定這些缺陷對(duì)整機(jī)性能的影響，既不浪費(fèi)又可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，是亟待解決的重要課題。本文結(jié)合QD32發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的缸孔相關(guān)缺陷進(jìn)行分析及對(duì)策評(píng)價(jià)，為其它種類(lèi)缸體加工和檢測(cè)提供必要參考和依據(jù)。

1 材料缺陷及評(píng)價(jià)

無(wú)缸套發(fā)動(dòng)機(jī)是缸體在缸體內(nèi)壁上直接加工出氣缸孔，孔內(nèi)不再嵌入缸套，活塞環(huán)在氣缸孔上直接進(jìn)行摩擦運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)缸體的硬度和耐磨性要求較高，通常，在鑄造過(guò)程中加入Cr、Cu等微量元素，保證其硬度、強(qiáng)度。QD32缸體也是在HT250材質(zhì)的基礎(chǔ)上，添加微量元素，提高其耐磨性，同時(shí)保證其有良好的力學(xué)性能。其具體化學(xué)成分組成見(jiàn)表1，金相組織及硬度如表2所示。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 金相組織及硬度

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)鑄造熱加工材料方面缸孔的缺陷，主要表現(xiàn)為氣壓測(cè)試微滲漏、黑點(diǎn)斑點(diǎn)缺陷、冷鐵部位產(chǎn)生的白斑、白色氣孔等。

1.1 微滲漏

發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體水套內(nèi)腔測(cè)試條件為：a.試漏壓力P=0.15 MPa；b.室溫下，壓降值P≤100 Pa，泄漏率≤11.76 cm3/min；c.如果試漏儀判定為不合格品，水箱上升，若無(wú)氣泡，則此件為合格品，若有氣泡，此件為不合格品。

在水壓測(cè)試過(guò)程中，出現(xiàn)壓降值和泄漏率滿(mǎn)足技術(shù)要求，但是在水箱下降過(guò)程中缸孔部位有微小氣泡產(chǎn)生，即缸孔產(chǎn)生微滲漏。選取缸孔滲漏部位的本體進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1）化學(xué)成分及硬度檢測(cè)。對(duì)產(chǎn)生滲漏和部位進(jìn)行解剖、取樣，檢測(cè)硬度186 HB，滿(mǎn)足技術(shù)要求。進(jìn)行金相組織觀察，金相組織為珠光體+鐵素體+石墨，但是發(fā)現(xiàn)斷口部位有樹(shù)枝杈狀和蜿蛛狀類(lèi)石墨形態(tài)存在，如圖1所示。

2）原因分析。片狀石墨主要有A~F型，其分布特征如表3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體要求具有多數(shù)的中等長(zhǎng)度的A型石墨，而B(niǎo)型石墨為數(shù)不多時(shí)，其對(duì)鑄鐵的性能影響不大，一般情況下可允許其存在。C型石墨因其自身特點(diǎn)，可使鑄鐵的熱導(dǎo)率提高，改善其抗熱沖擊的能力，但對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能影響較大，允許其少量存在。D型石墨，若基體組織為珠光體，則鑄鐵的耐磨性較好，且機(jī)械加工后能得到較好的表面粗糙度，因此在缸體中可以存在。

表3 石墨分布特征[2]

圖1 滲漏缸體的石墨形態(tài)（100×）

由金相分析得知，該部位石墨主要形態(tài)為枝杈狀和蜿蛛狀，也就是存在E型石墨和F型石墨。當(dāng)缸體缸孔鑄件中E型石墨和F型石墨存在較多時(shí)，容易產(chǎn)生縮松缺陷[3]，相當(dāng)于存在孔洞、微裂紋，它割裂金屬基體，強(qiáng)度硬度下降，對(duì)彈性、耐磨性不利，力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度降低。產(chǎn)生微滲漏的主要原因是E型石墨和F型石墨存在，產(chǎn)生了縮松缺陷，導(dǎo)致滲漏發(fā)生。

3）對(duì)策及評(píng)價(jià)。對(duì)于缸孔發(fā)生滲漏的缸體是不允許使用的，出現(xiàn)壓降值和泄漏率是為了封堵面產(chǎn)生微小泄漏而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如果缸孔部位產(chǎn)生微滲漏，沉水有氣泡產(chǎn)生時(shí)，缸體判定為不合格品，此時(shí)應(yīng)根據(jù)試漏數(shù)據(jù)，修訂缸體的泄漏率。

為防止缸體滲漏應(yīng)做到：a.對(duì)廢鋼進(jìn)行批次管理，化驗(yàn)其成分，防止碳硅量過(guò)高滿(mǎn)足使用要求；b.控制澆鑄溫度及冷卻速度；c.防止鑄造時(shí)毛坯尺寸較厚；d.防止涂料中的碲等稀有金屬被沖走或被稀釋、溶解于其它部位。

1.2 黑色斑點(diǎn)缺陷

缸體缸孔在珩磨加工完成后，發(fā)現(xiàn)缸孔壁上出現(xiàn)的不均勻的黑色斑點(diǎn)，其分布無(wú)規(guī)則。

1）化學(xué)成分及硬度檢測(cè)。選取出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)部位的樣塊，如圖2所示，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單研磨。檢測(cè)硬度189 HB，達(dá)到180～230 HB的要求；化學(xué)成分檢測(cè)：石墨形態(tài)A+B+C+D，石墨長(zhǎng)度＜250 μm，基體組織：珠光體+＜2磷共晶碳化物，達(dá)到技術(shù)要求。

2）顯微組織觀察。調(diào)查方法：選取圖2中樣塊TR1用電子顯微鏡（圖3）進(jìn)行觀察，電子顯微鏡為基恩士VHX-2000。

圖2 檢測(cè)樣塊

圖3 電子顯微鏡

3）原因分析。樣塊研磨后大的麻點(diǎn)消失，顯微鏡下30倍觀察只剩下小的凹點(diǎn)，如圖4所示，將圖4中的標(biāo)記3號(hào)缺陷部位進(jìn)行200倍放大觀察，如圖5所示，其直徑在10 μm左右，結(jié)晶粒偏大，但屬于鑄鐵組織中正常的A型石墨形態(tài)為主，少量B型石墨形態(tài)。取有黑色斑點(diǎn)部位進(jìn)行金相組織觀察，在未經(jīng)腐蝕和腐蝕后的試樣表面（圖6、圖7）均觀察到除正常存在的片狀石墨外，還存在形態(tài)與石墨不同有一定深度的深色斑點(diǎn)，這就是存在于缸孔壁上黑色斑點(diǎn)的剖面形狀，大致觀測(cè)尺寸在0.07～0.14 mm，金相組織為珠光體+鐵素體+石墨。通過(guò)顯微鏡放大倍數(shù)對(duì)缺陷部位進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)黑色斑點(diǎn)為凹坑，深淺不一，坑的邊界也不規(guī)則，內(nèi)部沒(méi)有機(jī)械加工的痕跡

缺陷部位的推斷有3點(diǎn)：a.析出石墨的欠缺（機(jī)械加工造成）；b.微小縮孔；c.熔化鐵水中的氣孔，貌似氮?dú)獾臍饪兹毕荩?/p>

經(jīng)過(guò)顯微測(cè)試觀察，缺陷內(nèi)部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀的晶體，缺陷部位的深度很淺。由此判定該缺陷不屬于微小縮孔；此外一般單純的氣體在缺陷表面形成光滑的球面形狀，但是此缺陷的形狀很復(fù)雜，可以判定不屬于氣孔，不是氮?dú)獾臍饪兹毕荩蝗毕莶课坏男螤睿ㄝ喞蜕疃龋┡c普通鑄鐵中的片狀石墨（大小形狀）相似，大小差不多在0.1～0.7 mm，符合一般結(jié)晶顆粒的大小，缺陷內(nèi)部存在輪廓凹凸不平的復(fù)雜形狀?？梢耘卸óa(chǎn)生黑色斑點(diǎn)的原因是組織粗大，并存在較輕微的縮松，在機(jī)加過(guò)程中造成晶粒脫落，形成微小孔洞，在肉眼觀察，就出現(xiàn)分布不均勻的黑色斑點(diǎn)缺陷。

圖4 缺陷部位（30×）

圖5 缺陷部位（200×）

圖6 試樣表面無(wú)腐蝕石墨形態(tài)（100×）

圖7 試樣表面有腐蝕石墨形態(tài)（100×）

4）對(duì)策。為了減小或消除黑點(diǎn)缺陷，針對(duì)灰鑄鐵晶體粗大和縮松形成的原因，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，促進(jìn)黑點(diǎn)缺陷消除[4]：a.適當(dāng)提高原鐵水中的硅金屬含量，控制孕育劑的加工，選擇減少鐵水收縮的孕育劑。b.選擇含Ca、Al較低的廢鋼，消除廢鋼中有害元素對(duì)孕育效果的影響，減少生鐵加入量，消除粗大石墨的遺傳性，達(dá)到細(xì)化石墨的目的。c.控制澆鑄溫度和提高冷卻速度，增加結(jié)晶顆粒實(shí)現(xiàn)。d.提高錳、硫的結(jié)合能力，從而改善孕育處理后的組織和石墨形態(tài)，改善鑄件的切削性能。

5）缺陷評(píng)價(jià)。挑選該類(lèi)缸體進(jìn)行400 h可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后檢測(cè)缸孔的尺寸，對(duì)比原尺寸，基本無(wú)變化，可以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用條件，參考同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)情況，確認(rèn)活塞環(huán)行程范圍內(nèi)250 μm×250 μm以上的3處及3處以下；500 μm×500 μm以上的斑點(diǎn)或坑洞1處；以上2種條件可以評(píng)審使用。

1.3 冷鐵移位及其產(chǎn)生的氣孔（白斑、白點(diǎn)）

在缸孔珩磨或精鏜完成后，缸孔內(nèi)壁出現(xiàn)白色的不規(guī)則形狀的斑點(diǎn)，有的較大，如圖8所示，有的較小，如圖9所示，其分布不均勻，缸壁處多見(jiàn)。

圖8 缸孔內(nèi)壁白斑

圖9 缸孔內(nèi)壁白點(diǎn)

1）原因解析。缸孔和缸孔之間為鑄造的薄弱區(qū)域，為了增加其強(qiáng)度而增加冷鐵緊固芯子等連接。圖9所示白斑經(jīng)過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)白斑是連接的生鐵移位造成的，該類(lèi)缺陷造成缸孔各部分的硬度不均勻，在生產(chǎn)中是不允許的。

針對(duì)缸壁上的白點(diǎn)，使用粗糙度儀檢測(cè)，在檢測(cè)報(bào)告中，可以看到粗糙度曲線中出現(xiàn)較深的凹槽，常認(rèn)為是珩磨質(zhì)量問(wèn)題，即溝槽過(guò)深超過(guò)0.10 mm，經(jīng)過(guò)具體分析，首先粗糙度測(cè)量?jī)x是線性軌跡，不能完整地反映表面缺陷，其次粗珩油石為金剛石油石，其粒度為120#，其磨擦缸孔表面不可能造成如此深的溝槽。由于缸體的材質(zhì)為合金鑄鐵，粗糙度曲線中反映的深溝判定是鑄件的微觀氣孔缺陷[5]。

該氣孔根據(jù)出現(xiàn)位置的不固定，判定為反應(yīng)氣孔[6]，是液態(tài)金屬與鑄型材料、芯撐、冷鐵或熔渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的。

其反應(yīng)關(guān)系式為

產(chǎn)生的CO氣體常在冷鐵、芯撐附近形成氣孔，由于氣孔的形成原因無(wú)法再現(xiàn)，觀察白斑出現(xiàn)的位置基本出現(xiàn)在缸孔連接部位，該類(lèi)缺陷基本可以判定為反應(yīng)氣孔。

2）缺陷評(píng)價(jià)。這種氣孔不僅不會(huì)影響缸孔質(zhì)量，而且對(duì)缸孔的含油潤(rùn)滑性有好處。若氣孔超過(guò)直徑φ0.2 mm屬于鑄造缺陷，不被允許使用。該類(lèi)的缺陷評(píng)價(jià)可以類(lèi)比黑色斑點(diǎn)缺陷評(píng)價(jià)方式。

2 機(jī)械加工缺陷及評(píng)價(jià)

缸孔內(nèi)部表面質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為平臺(tái)網(wǎng)紋，網(wǎng)紋的檢測(cè)使用粗糙度分析儀。QD32發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的網(wǎng)紋參數(shù)如表4所示。

表4 平臺(tái)網(wǎng)紋要求

理想的缸孔表面網(wǎng)紋[7]應(yīng)表面清晰，無(wú)金屬碎片、裂紋、夾雜物等缺陷。優(yōu)質(zhì)網(wǎng)紋圖樣如圖10所示。QD32缸體的缸孔珩磨在Nagel雙軸珩磨機(jī)上進(jìn)行，其使用金剛石油石條進(jìn)行粗珩和精珩，缸孔在珩磨工序中，受珩磨油石條、油石條黏結(jié)劑、前序加工余量、珩磨壓力、珩磨液的過(guò)程影響，加工過(guò)程中出現(xiàn)影響缸孔質(zhì)量的缺陷，有黑色亮帶、劃傷痕跡、毛刺飛邊、珩磨幅度、網(wǎng)紋成型等。

圖10 優(yōu)質(zhì)的平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋的復(fù)制膜照片（100×）

2.1 黑色亮帶或壓痕

缸體完成品檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別缸孔有黑色亮帶或劃痕[8]，經(jīng)過(guò)放大鏡和顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)為硬物擠壓痕跡，測(cè)量直徑尺寸偏差在0.002 mm，分析原因?yàn)殓衲C(jī)磨頭在珩磨完成后，油石由于捆綁彈簧彈力下降未及時(shí)縮回珩磨頭，這時(shí)珩磨頭已經(jīng)運(yùn)動(dòng)離開(kāi)缸孔，造成油石擠壓缸孔石墨產(chǎn)生黑色亮帶，金屬基體產(chǎn)生劃痕，該部位產(chǎn)生于缸孔中下部。針對(duì)產(chǎn)生原因需要根據(jù)彈簧的使用次數(shù)定期進(jìn)行更換，以保證油石座及時(shí)回收。

由于是輕微亮帶和劃痕，尺寸變形量很小，不會(huì)對(duì)平臺(tái)網(wǎng)紋造成任何影響，因此對(duì)珩磨后的缸孔質(zhì)量影響不大，視嚴(yán)重程度，進(jìn)行評(píng)審使用。

2.2 劃傷痕跡

在珩磨加工后，用肉眼可以看到缸孔的內(nèi)表面有明顯的劃傷痕跡，這種劃傷大多是珩磨時(shí)（尤其是半精珩、精珩時(shí)）有外部雜質(zhì)進(jìn)入造成的，如珩磨油石脫粒過(guò)快、珩磨冷卻油臟、鑄件的砂眼中殘留砂子，所以珩磨液一般進(jìn)行磁過(guò)濾和濾紙過(guò)濾，并且需要定期或定量地更換濾紙。

圖11 毛刺、飛邊的四級(jí)分布圖

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：按照長(zhǎng)度、深度、方向3個(gè)指標(biāo)，一般要求其與缸孔的軸線不能平行，否則容易造成活塞環(huán)起不到密封的作用；其深度不大于0.05 mm，寬度小于0.2 mm，長(zhǎng)度小于50 mm。

2.3 毛刺、飛邊

毛刺飛邊是珩磨過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的，其原因是油石存在尖角割傷缸體造成的，珩磨頭新油石在使用前，需要做規(guī)圓處理，去掉尖角，再使用缸體廢料進(jìn)行珩磨，網(wǎng)紋合格后，進(jìn)行批量加工。毛刺、飛邊是造成拉缸和缸孔磨損的主要原因，產(chǎn)生毛刺飛邊時(shí)常伴隨著組織脫落。其評(píng)價(jià)一般分為四級(jí)評(píng)價(jià)（如圖11所示），三級(jí)以上為可用，三級(jí)以下做不合格品處理。

一級(jí)，為毛刺、飛邊不合格的狀態(tài)，其表面類(lèi)似坑洼的黏土路；二級(jí)，因粗珩后的精珩加工余量不足，在網(wǎng)紋表面上出現(xiàn)了很多毛刺、飛邊的狀態(tài)；三級(jí)，一部分出現(xiàn)了毛刺、飛邊，但沒(méi)有覆蓋住一半以上的珩磨紋；四級(jí)，只存在微小的毛刺、飛邊，整體狀態(tài)良好。

2.4 珩磨幅度（拉痕）

珩磨幅度也是造成油膜斷裂、缸孔拉傷的主要原因。圖12為珩磨幅度大于30 μm的狀態(tài)，其在實(shí)際加工過(guò)程中不被允許存在，圖13小的堵塞傷痕出現(xiàn)的情況，如果頻次少（1個(gè)/缸孔），就允許使用。

圖12 不合格的珩磨幅度

圖13 小的堵塞拉痕

2.5 網(wǎng)紋成型

網(wǎng)紋的成型依靠珩磨頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成螺旋狀的交叉網(wǎng)紋，其先進(jìn)行粗珩，然后進(jìn)行精珩和平臺(tái)珩磨，QD32珩磨頭的粗珩油石有6條，精珩油石有6條，其由拉桿芯子進(jìn)行脹開(kāi)和縮緊，如果6條油石的伸脹不一致，磨頭的停留時(shí)間長(zhǎng)，而造成網(wǎng)紋兩個(gè)交叉方向不均勻的現(xiàn)象，產(chǎn)生網(wǎng)紋成型缺陷，其評(píng)價(jià)也分為四級(jí)，如圖14所示，其中三級(jí)以上為可用。

一級(jí),單向網(wǎng)紋，基本不存在的另一向網(wǎng)紋；二級(jí),另一向網(wǎng)紋少，只形成了斷續(xù)的網(wǎng)紋；三級(jí),單向的網(wǎng)紋少，是連續(xù)形成的；四級(jí),兩向的網(wǎng)紋基本一樣，并且是連續(xù)形成的。

圖14 網(wǎng)紋成形的四級(jí)分布圖

3 結(jié)論

缸孔的質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命及經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性有重要意義，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)早期磨損和機(jī)油消耗高。而其加工受原材料、加工方式等影響不可能完全避免，但可以通過(guò)材料優(yōu)化、工藝優(yōu)化等方式減少缺陷發(fā)生的概率。文中著重介紹了QD32發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔在熱加工和冷加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷案例，并進(jìn)行相應(yīng)的解析與評(píng)價(jià)，再施以對(duì)策，可以很大程度上發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，也可以為同行業(yè)缸孔的表面質(zhì)量評(píng)價(jià)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供相關(guān)依據(jù)。