活塞失效分析

1、船用柴油机排气阀内、外活塞表面损伤失效分析船用柴油机排气阀内、外活塞表面损伤失效分析摘要：通过大连船用柴油机失效活塞材料内部质量的理化检验分析，阐述了船用柴油机失效活塞材料的组织特点，结合失效活塞特定的外观破坏形貌以及热处理工艺特点，指出了造成这次活塞失效的主要原因是内、外活塞原始表面存有数量较多且处于亚稳态的残余奥氏体，摩擦力作用下向稳态马氏体转变的同时出现体积膨胀，使得内、外活塞匹配间隙减少，增加了内、外活塞表面间的摩擦力，导致局部温度超过其奥氏体化温度，匹配表面硬度降低，引起了粘着磨损。关键词：失效活塞；马氏体转变；粘着磨损Failure Analysis of Exhaust Valv

2、e Piston of Marine Diesel Engine Abstract:The physical and chemical test was used to study the internal quality of the exhaust valve piston of marine diesel engine. This paper described microstructure characteristics and internal defect. Based on the fracture surface morphology and heat treatment pr

3、ocess of the failure piston, we found the cause of this failure. While a lot of metastable retained austenite on the surface of the initial piston transformed to stable martensite by friction, its volume expanded. Then the space between internal and external piston decreased., as a result it increas

4、e friction. Finally, it caused the local temperature beyond austenite transformation temperature and lead to adhesive wear.Keywords: Failure Piston; Martensite Transformation; Adhesive Wear1 情况说明内、外活塞材质均为18CrNiMo7-6钢或20CrNi4钢，表面经渗碳淬火、回火处理。要求内活塞表面硬度HRC58-62,加工后表面硬化层深度1.5-1.7mm。外活塞表面洛氏硬度66-70，HR45N (相

5、当于HRC60-63.5)，加工后表面硬化层深度0.5-0.8mm。据介绍，该件排气阀内、外活塞的服役环境为室温，活塞往复运动频率约为100r/min，内、外活塞间有油膜润滑。从装机到损伤失效仅48小时。2 检测方法采用日本Keyence VHX-600型超景深体视显微镜观察内、外活塞表面宏观损伤形貌。利用荷兰Philips XL-30型扫描电镜观察其表面损伤微观形貌。沿活塞纵向和横向切割试片，经镶嵌、抛光制成金相试样。采用扫描电镜和德国Leica-DMI5000M型金相显微镜观察金相组织。利用德国OBLF-750QSN型发射光谱仪测定材料化学成分。根据钢中残余奥氏体定量测定X射线衍射仪法（G

6、B8362-87）测定试块表层残余奥氏体量。实验采用日本Rigaku公司D/Max-Ultima型X射线衍射仪。测试条件：CuK辐射，功率40mA40KV, 后石墨单色器,2扫描范围4001000，扫描速度20/min。利用洛氏硬度计、显微硬度计测定表面硬度、表层硬度梯度和基体硬度。3 检测结果3.1 宏观形貌图1 外活塞外圆表面宏观形貌图2 外活塞上部内圆表面宏观形貌图3 外活塞下部内圆表面宏观形貌外活塞失效外活塞外观宏观形貌如图1。其下部内圆表面损伤形貌如图3。可见该件外活塞外圆表面仍保留原机加工痕迹，上部内圆表面也主要为环向磨加工痕迹如图3，而下部内圆表面原环向磨加工痕迹完全消失且出现了

7、较严重的轴向磨损条痕，个别位置还出现了宽度约为3mm的轴向磨损条带。注意到，外活塞下部内圆表面仍呈金属光泽。图4 内活塞外圆表面损伤宏观形貌图5 内活塞上部外圆表面宏观形貌图6 内活塞下部外圆表面宏观形貌内活塞失效内活塞外观宏观形貌如图4。可见内活塞上部外圆表面未磨损或磨损较轻，而其下部外圆表面磨损较严重如图6。在下部油槽棱边还出现了磨屑堆积现象。内活塞下部外圆表面也呈金属光泽。3.2 微观形貌利用扫描电镜重点观察了内、外活塞表面损伤微观形貌。图7 外活塞上部内圆表面形貌（未磨损区）图8 外活塞下部内圆表面形貌（严重损伤区）如图8，图9，外活塞观察显示，外活塞上部内圆表面仍存有原始的环向磨加工

8、痕迹，几乎看不到与其摩擦副-内活塞的轴向摩擦痕迹。而在下部内圆表面这种环向磨加工痕迹已完全消失，出现了较严重的轴向磨损条痕和轴向磨损条带，该区域表面较粗糙，局部表面还出现了塑性流变。在较宽的磨损条带内还呈现出鳞片状剥离，随着内活塞由上向下移动，外活塞内圆鳞片状剥离尺寸逐渐增大。图9 DGS8800e控制流程图图10 内活塞下部外圆表面形貌（严重损伤区）图11 内活塞下部外圆表面形貌（严重损伤区）图12 内活塞下部外圆表面形貌（严重损伤区）如图9、图10、图11，内活塞内活塞上部外圆表面也存有原始的环向磨加工痕迹，而无轴向摩擦痕迹。由上至下，其表面环向磨加工条痕逐渐被碾平且出现了轴向碾压和犁沟。

9、在内活塞下部外圆表面也出现了较严重的轴向磨损条痕、磨损条带和鳞片状剥落。在心部外圆表面油槽附近还出现了数条取向一直、相互衔接、长度为1-4mm的横向微裂纹，注意到，这些微裂纹主要从严重磨损带向两侧扩展。在内活塞下部外圆环向上、下油槽棱边均出现磨屑堆积物，并将原油槽表面的环向车加工痕迹覆盖。由于磨损表面鳞片状剥落底部较粗糙，根据此损伤形貌特征可以确定内、外活塞表面的损伤失效形式主要属于粘着磨损。3.3 组织观察图13 外活塞内圆下部横向剖面严重磨损区表层金相组织及硬度分布(HV0.05)图14 内活塞内圆下部横向剖面严重磨损区表层金相组织及硬度分布(HV0.05)显微组织金相显微镜和扫描电镜观察

10、显示，在内、外活塞的油槽表层均出现了深度约为0.02mm的黑色内氧化网状组织。由于渗碳淬火回火后，油槽部位不再进行机加工，该部位可代表其原始的表面渗碳淬火回火状态。因此该件内、外活塞渗碳淬火回火后原始表面应存有深度约为0.02mm的内氧化层。在上、下部未磨损区和正常磨损区，渗层组织为较细的针状回火马氏体、残余奥氏体和沿晶断续链状碳化物。在下部异常严重磨损区，内、外活塞表层均出现了二次淬火组织和许多残余奥氏体，这表明异常严重磨损区发生了马氏体重新奥氏体化过程，即异常严重摩擦使得局部表层温度超过了钢的奥氏体化温度AC3(约850oC)。在一些异常严重磨损区域表层还出现了二次微裂纹，且这些微裂纹向心

11、部扩展。内、外活塞心部基体组织为板条状回火马氏体。此外，内、外活塞表层和基体均未出现明显的冶金缺陷和锻造缺陷。3.4 残余奥氏体检测检测部位谱图编号实 测 值平均值内活塞上部外面N-SW22.021.425.422.722.226.023.3下部外面N-XW57.461.269.458.358.166.661.8下部端面N-XD29.526.225.428.425.124.326.5外活塞上部内面W-SN8.88.17.77.77.36.97.8上部外面W-SW8.18.69.88.48.810.49.0下部内面W-XN32.436.437.028.031.732.333.0下部外面W-XW1

12、0.212.010.010.312.19.410.7表1 内、外活塞表面残余奥氏体量测定结果（V,%）X射线衍射物相分析结果表明，内、外活塞表面物相由马氏体、残余奥氏体和M3C 型碳化物组成。内、外活塞表面的残余奥氏体量测定结果见表2。可见磨损程度较轻的内活塞上部外圆表面和下部端面的残余奥氏体量为23.3-26.5%，而其下部严重磨损的外圆表面残余奥氏体量为61.8%，即经严重摩擦后内活塞表面残余奥氏体量增加了2.3-2.6倍。未磨损的外活塞上、下外圆表面残余奥氏体量为9.0-10.7%，而其下部严重磨损的内圆表面残余奥氏体量为33.0%，即经严重摩擦后外活塞表面残余奥氏体量增加了3.1-3.

13、7倍。4 失效原因分析综上观测分析可知，该件内、外活塞下部相匹配表层出现了严重摩擦，局部温度升高导致表层马氏体(M)向奥氏体转变，与此同时表面发生了粘着磨损，而摩擦后的内活塞下部外圆表面和外活塞下部内圆表面仍呈金属光泽，并没有出现烧焦褐色，这说明在实际服役过程中该件内、外活塞的配合间隙仍存有油膜，即内、外活塞表面损伤并不是由缺油造成的干式摩擦磨损。由X射线衍射物相分析和残余奥氏体量测定可知，内、外活塞表面经渗碳淬火回火和磨加工后表面分别存有约25%和10% 的残余奥氏体量。这些残余奥氏体处于不稳定状态，在摩擦力作用下会向稳态的马氏体转变，同时出现体积膨胀，即外活塞内圆收缩直径减小，而内活塞外圆

14、膨胀直径增大，这会使得正常的内、外活塞匹配间隙变小，进一步增加了内、外活塞间的摩擦力，引起局部温度超过了其奥氏体化温度AC3(约850oC)，匹配表面硬度降低，引起了粘着磨损。同时通过基体金属快速冷却，形成了由极细马氏体和较多残余奥氏体组成的长度为0.5-4.1mm、深度为0.1-0.3mm的月牙状“白层”。外活塞和内活塞两者之间的相对运动速度变化很大,当该处润滑油膜破裂,内燃机工作时,由于活塞环与缸壁间不能得到可靠的润滑,发生局部的干摩擦,形成金属间熔合粘着、软化、冷焊，在外活塞表面形成粗糙的周向划痕、拉毛和金属剥离现象。5 结论综上检测分析，可得以下结论：（1） 失效内、外活塞材质均为18

15、CrNiMo7-6钢。内、外活塞表面均经过了渗碳淬火回火处理，渗层组织由较细的针状回火马氏体、残余奥氏体和沿晶断续链状M3C 型碳化物组成。心部基体组织为板条状回火马氏体。内、外活塞表层和基体均未出现明显的冶金缺陷和锻造缺陷。（2） 渗后经磨加工的内活塞表面硬度（HRC60.3）和外活塞表面硬度（HRC60.3-61.5）均达到了技术要求。内活塞表面的原始渗层深度（1.85mm）和外活塞表面的原始渗层深度（0.9mm）也达到了技术要求。渗后经磨加工后内、外活塞表面残余奥氏体量分别约为25%和10%，经严重摩擦后内、外活塞表面残余奥氏体量依次增加了约2.5倍和3.3倍。（3） 内、外活塞的表面损伤失效形式属于粘着磨损。由于内