夏紹彤

(東風朝陽朝柴動力有限公司，遼寧 朝陽122000)

0 引言

QD32發(fā)動機為排量3.2 L的直列、四沖程柴油機，其缸孔內無氣缸套，缸孔內表面既是活塞環(huán)的裝配表面又是工作表面，缸孔內表面質量的好壞直接影響發(fā)動機的性能和發(fā)動機磨合效率。QD32發(fā)動機缸孔內表面為平臺珩磨網(wǎng)紋表面[1]，表面形狀為深溝槽與小平臺均勻相間的交叉網(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、輪廓支承長度率以及表面層的加工質量等有相應的技術要求。在實際生產熱加工過程中缸體在鑄件澆鑄成型時，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。如何準確判定這些缺陷對整機性能的影響，既不浪費又可以達到標準要求，是亟待解決的重要課題。本文結合QD32發(fā)動機缸體在實際生產中產生的缸孔相關缺陷進行分析及對策評價，為其它種類缸體加工和檢測提供必要參考和依據(jù)。

1 材料缺陷及評價

無缸套發(fā)動機是缸體在缸體內壁上直接加工出氣缸孔，孔內不再嵌入缸套，活塞環(huán)在氣缸孔上直接進行摩擦運動，因此對缸體的硬度和耐磨性要求較高，通常，在鑄造過程中加入Cr、Cu等微量元素，保證其硬度、強度。QD32缸體也是在HT250材質的基礎上，添加微量元素，提高其耐磨性，同時保證其有良好的力學性能。其具體化學成分組成見表1，金相組織及硬度如表2所示。

表1 化學成分質量分數(shù)

表2 金相組織及硬度

經(jīng)過統(tǒng)計鑄造熱加工材料方面缸孔的缺陷，主要表現(xiàn)為氣壓測試微滲漏、黑點斑點缺陷、冷鐵部位產生的白斑、白色氣孔等。

1.1 微滲漏

發(fā)動機的缸體水套內腔測試條件為：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，若無氣泡，則此件為合格品，若有氣泡，此件為不合格品。

在水壓測試過程中，出現(xiàn)壓降值和泄漏率滿足技術要求，但是在水箱下降過程中缸孔部位有微小氣泡產生，即缸孔產生微滲漏。選取缸孔滲漏部位的本體進行相應的分析。

1）化學成分及硬度檢測。對產生滲漏和部位進行解剖、取樣，檢測硬度186 HB，滿足技術要求。進行金相組織觀察，金相組織為珠光體+鐵素體+石墨，但是發(fā)現(xiàn)斷口部位有樹枝杈狀和蜿蛛狀類石墨形態(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)動機缸體要求具有多數(shù)的中等長度的A型石墨，而B型石墨為數(shù)不多時，其對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，可使鑄鐵的熱導率提高，改善其抗熱沖擊的能力，但對鑄鐵的力學性能影響較大，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。當缸體缸孔鑄件中E型石墨和F型石墨存在較多時，容易產生縮松缺陷[3]，相當于存在孔洞、微裂紋，它割裂金屬基體，強度硬度下降，對彈性、耐磨性不利，力學性能和疲勞強度降低。產生微滲漏的主要原因是E型石墨和F型石墨存在，產生了縮松缺陷，導致滲漏發(fā)生。

3）對策及評價。對于缸孔發(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生微小泄漏而進行設計的，如果缸孔部位產生微滲漏，沉水有氣泡產生時，缸體判定為不合格品，此時應根據(jù)試漏數(shù)據(jù)，修訂缸體的泄漏率。

為防止缸體滲漏應做到：a.對廢鋼進行批次管理，化驗其成分，防止碳硅量過高滿足使用要求；b.控制澆鑄溫度及冷卻速度；c.防止鑄造時毛坯尺寸較厚；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，其分布無規(guī)則。

1）化學成分及硬度檢測。選取出現(xiàn)黑色斑點部位的樣塊，如圖2所示，對其進行簡單研磨。檢測硬度189 HB，達到180～230 HB的要求；化學成分檢測：石墨形態(tài)A+B+C+D，石墨長度＜250 μm，基體組織：珠光體+＜2磷共晶碳化物，達到技術要求。

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

圖2 檢測樣塊

圖3 電子顯微鏡

3）原因分析。樣塊研磨后大的麻點消失，顯微鏡下30倍觀察只剩下小的凹點，如圖4所示，將圖4中的標記3號缺陷部位進行200倍放大觀察，如圖5所示，其直徑在10 μm左右，結晶粒偏大，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)。取有黑色斑點部位進行金相組織觀察，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，這就是存在于缸孔壁上黑色斑點的剖面形狀，大致觀測尺寸在0.07～0.14 mm，金相組織為珠光體+鐵素體+石墨。通過顯微鏡放大倍數(shù)對缺陷部位進行觀測，發(fā)現(xiàn)黑色斑點為凹坑，深淺不一，坑的邊界也不規(guī)則，內部沒有機械加工的痕跡

缺陷部位的推斷有3點：a.析出石墨的欠缺（機械加工造成）；b.微小縮孔；c.熔化鐵水中的氣孔，貌似氮氣的氣孔缺陷；

經(jīng)過顯微測試觀察，缺陷內部沒有發(fā)現(xiàn)樹枝狀的晶體，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雜，可以判定不屬于氣孔，不是氮氣的氣孔缺陷；缺陷部位的形狀（輪廓和深度）與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，符合一般結晶顆粒的大小，缺陷內部存在輪廓凹凸不平的復雜形狀?？梢耘卸óa生黑色斑點的原因是組織粗大，并存在較輕微的縮松，在機加過程中造成晶粒脫落，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缺陷。

圖4 缺陷部位（30×）

圖5 缺陷部位（200×）

圖6 試樣表面無腐蝕石墨形態(tài)（100×）

圖7 試樣表面有腐蝕石墨形態(tài)（100×）

4）對策。為了減小或消除黑點缺陷，針對灰鑄鐵晶體粗大和縮松形成的原因，從以下幾個方面進行改進，促進黑點缺陷消除[4]：a.適當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，達到細化石墨的目的。c.控制澆鑄溫度和提高冷卻速度，增加結晶顆粒實現(xiàn)。d.提高錳、硫的結合能力，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）缺陷評價。挑選該類缸體進行400 h可靠性試驗，試驗完成后檢測缸孔的尺寸，對比原尺寸，基本無變化，可以滿足發(fā)動機的使用條件，參考同行業(yè)標準及試驗情況，確認活塞環(huán)行程范圍內250 μm×250 μm以上的3處及3處以下；500 μm×500 μm以上的斑點或坑洞1處；以上2種條件可以評審使用。

1.3 冷鐵移位及其產生的氣孔（白斑、白點）

在缸孔珩磨或精鏜完成后，缸孔內壁出現(xiàn)白色的不規(guī)則形狀的斑點，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。

圖8 缸孔內壁白斑

圖9 缸孔內壁白點

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

針對缸壁上的白點，使用粗糙度儀檢測，在檢測報告中，可以看到粗糙度曲線中出現(xiàn)較深的凹槽，常認為是珩磨質量問題，即溝槽過深超過0.10 mm，經(jīng)過具體分析，首先粗糙度測量儀是線性軌跡，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)生化學反應產生氣體而形成的。

其反應關系式為

產生的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，該類缺陷基本可以判定為反應氣孔。

2）缺陷評價。這種氣孔不僅不會影響缸孔質量，而且對缸孔的含油潤滑性有好處。若氣孔超過直徑φ0.2 mm屬于鑄造缺陷，不被允許使用。該類的缺陷評價可以類比黑色斑點缺陷評價方式。

2 機械加工缺陷及評價

缸孔內部表面質量的主要評價指標為平臺網(wǎng)紋，網(wǎng)紋的檢測使用粗糙度分析儀。QD32發(fā)動機缸孔的網(wǎng)紋參數(shù)如表4所示。

表4 平臺網(wǎng)紋要求

理想的缸孔表面網(wǎng)紋[7]應表面清晰，無金屬碎片、裂紋、夾雜物等缺陷。優(yōu)質網(wǎng)紋圖樣如圖10所示。QD32缸體的缸孔珩磨在Nagel雙軸珩磨機上進行，其使用金剛石油石條進行粗珩和精珩，缸孔在珩磨工序中，受珩磨油石條、油石條黏結劑、前序加工余量、珩磨壓力、珩磨液的過程影響，加工過程中出現(xiàn)影響缸孔質量的缺陷，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)質的平臺珩磨網(wǎng)紋的復制膜照片（100×）

2.1 黑色亮帶或壓痕

缸體完成品檢測過程中，發(fā)現(xiàn)個別缸孔有黑色亮帶或劃痕[8]，經(jīng)過放大鏡和顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)為硬物擠壓痕跡，測量直徑尺寸偏差在0.002 mm，分析原因為珩磨機磨頭在珩磨完成后，油石由于捆綁彈簧彈力下降未及時縮回珩磨頭，這時珩磨頭已經(jīng)運動離開缸孔，造成油石擠壓缸孔石墨產生黑色亮帶，金屬基體產生劃痕，該部位產生于缸孔中下部。針對產生原因需要根據(jù)彈簧的使用次數(shù)定期進行更換，以保證油石座及時回收。

由于是輕微亮帶和劃痕，尺寸變形量很小，不會對平臺網(wǎng)紋造成任何影響，因此對珩磨后的缸孔質量影響不大，視嚴重程度，進行評審使用。

2.2 劃傷痕跡

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

圖11 毛刺、飛邊的四級分布圖

評價標準：按照長度、深度、方向3個指標，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，長度小于50 mm。

2.3 毛刺、飛邊

毛刺飛邊是珩磨過程中經(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，再使用缸體廢料進行珩磨，網(wǎng)紋合格后，進行批量加工。毛刺、飛邊是造成拉缸和缸孔磨損的主要原因，產生毛刺飛邊時常伴隨著組織脫落。其評價一般分為四級評價（如圖11所示），三級以上為可用，三級以下做不合格品處理。

一級，為毛刺、飛邊不合格的狀態(tài)，其表面類似坑洼的黏土路；二級，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，一部分出現(xiàn)了毛刺、飛邊，但沒有覆蓋住一半以上的珩磨紋；四級，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)，其在實際加工過程中不被允許存在，圖13小的堵塞傷痕出現(xiàn)的情況，如果頻次少（1個/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運動，形成螺旋狀的交叉網(wǎng)紋，其先進行粗珩，然后進行精珩和平臺珩磨，QD32珩磨頭的粗珩油石有6條，精珩油石有6條，其由拉桿芯子進行脹開和縮緊，如果6條油石的伸脹不一致，磨頭的停留時間長，而造成網(wǎng)紋兩個交叉方向不均勻的現(xiàn)象，產生網(wǎng)紋成型缺陷，其評價也分為四級，如圖14所示，其中三級以上為可用。

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

圖14 網(wǎng)紋成形的四級分布圖

3 結論

缸孔的質量對發(fā)動機使用壽命及經(jīng)濟性、動力性有重要意義，特別是發(fā)動機早期磨損和機油消耗高。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)動機缸孔在熱加工和冷加工過程中產生的缺陷案例，并進行相應的解析與評價，再施以對策，可以很大程度上發(fā)現(xiàn)并解決生產過程中出現(xiàn)的質量問題，也可以為同行業(yè)缸孔的表面質量評價及相關標準的建立提供相關依據(jù)。