劉義佳，王浩，梁燕茹，郄彥麗，劉翠（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋裂紋分析與解決

劉義佳，王浩，梁燕茹，郄彥麗，劉翠
（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；
2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過600 h交變負(fù)荷試驗(yàn)后，氣缸蓋鼻梁區(qū)出現(xiàn)裂紋。主要對(duì)缸蓋的斷口、材料、鑄造工藝、冷卻等4個(gè)方面進(jìn)行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)缸蓋產(chǎn)生裂紋的主要原因?yàn)殍T造工藝問題導(dǎo)致的金相變質(zhì)和硬度不達(dá)標(biāo)，缸蓋內(nèi)部嚴(yán)重積瘤，從而導(dǎo)致火花塞周圍冷卻水通道截面減小，缸蓋冷卻不足，缸蓋內(nèi)部溫度偏高，熱負(fù)荷偏高。通過改進(jìn)鑄造工藝和缸蓋水套圓角結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了缸蓋自身的機(jī)械性能和水套的冷卻能力，進(jìn)而使缸蓋的抗熱負(fù)荷能力提高；經(jīng)過對(duì)優(yōu)化后的缸蓋進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的缸蓋在600 h交變負(fù)荷后未出現(xiàn)裂紋，達(dá)到了試驗(yàn)需求。

氣缸蓋裂紋鑄造冷卻交變負(fù)荷

1　　引言

2　　缸蓋裂紋問題簡介

發(fā)動(dòng)機(jī)在完成600 h交變負(fù)荷試驗(yàn)后，拆解發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋鼻梁區(qū)（燃燒室進(jìn)氣門座圈與火花塞孔間區(qū)域）的壁面出現(xiàn)裂紋，見圖1。隨發(fā)動(dòng)機(jī)功率和輕量化的發(fā)展，缸蓋結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜且工作條件惡劣［5］，產(chǎn)生裂紋的原因趨于多因素的綜合作用，下面對(duì)缸蓋裂紋原因進(jìn)行分析。

圖1　　缸蓋裂紋位置

2.1斷口方面

裂紋起裂點(diǎn)一般在燃燒室靠近氣門鼻梁區(qū)邊緣，通過電鏡對(duì)裂紋區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行分析斷裂源在火花塞螺紋處，為脆性斷裂，見圖2。

圖2　　缸蓋裂紋的微觀形貌

2.2材料方面

此缸蓋材料選用ZL101A，缸蓋材料的具體化學(xué)成分和機(jī)械性能分別參見表1和表2。

由以上材料成分對(duì)比可知：

表1　　標(biāo)桿材料化學(xué)成分對(duì)比

表2　　標(biāo)桿材料機(jī)械性能成分對(duì)比

（1）AlSi10MgCu，相比其它材料，Si含量較高，能明顯改善高溫下的缸蓋的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)產(chǎn)生的燃燒室裂紋問題具有良性改善作用；

財(cái)稅人員在整個(gè)財(cái)稅工作的管理過程中起著至關(guān)重要的作用，而國土資源的財(cái)政稅收預(yù)算管理工作更是需要專業(yè)性極高的財(cái)稅人員去執(zhí)行。

（2）AlSi7Cu3Mg，因其超高的Cu含量，具有良好的機(jī)械性能，但不易進(jìn)行熱處理。

由材料性能對(duì)比所之，目前所用的材料ZL101A的機(jī)械性能不低于標(biāo)桿機(jī)水平，基本滿足使用要求。

2.3金相組織分析

對(duì)隨機(jī)缸蓋的金相組織和各表面硬度進(jìn)行對(duì)比分析，金相變質(zhì)結(jié)果和硬度檢測如圖3、圖4所示。通過缸蓋金相組織對(duì)比顯示，缸蓋金相較大αA1枝晶+短桿狀和針狀共晶硅，組織中存有針狀鐵相夾雜和顯微疏松，說明缸蓋變質(zhì)不足；缸蓋硬度檢測說明：三個(gè)樣機(jī)缸蓋硬度均未達(dá)標(biāo)，缸蓋技術(shù)要求硬度范圍為90～100 HBS，尤其是缸蓋底面（測點(diǎn)7、8）的硬度較差。

2.4缸蓋冷卻方面

2.4.1水套溫度場計(jì)算

經(jīng)CAE分析，缸蓋水套流速和均勻性滿足要求，見圖5，不存在冷卻不均現(xiàn)象?？梢耘懦捎谠O(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的以下兩種失效情況：（1）高溫位置冷卻不充分，導(dǎo)致局部過熱，使得缸蓋產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象；（2）高溫冷卻不足，使得缸蓋底面承受的壓應(yīng)力反復(fù)加劇、積累，最終導(dǎo)致缸蓋火力面產(chǎn)生裂紋。

2.4.2缸蓋水套內(nèi)部積瘤

通過對(duì)試驗(yàn)后缸蓋剖切分析，與數(shù)模缸蓋對(duì)比發(fā)現(xiàn)，缸蓋內(nèi)部存在較多的積瘤，導(dǎo)致水套的流通截面減小，可能會(huì)影響冷卻水的流動(dòng)，造成缸蓋局部冷卻不足，參見圖6和圖7。

2.4.3缸蓋溫度場測試

在缸蓋內(nèi)有代表性的區(qū)域布置11個(gè)測點(diǎn)，對(duì)缸蓋燃燒室內(nèi)的溫度進(jìn)行了測試，見圖8。測試結(jié)果顯示，火花塞周圍（測點(diǎn)1～4）溫度偏高，見圖9。

圖3　缸蓋金相變質(zhì)對(duì)比

圖4　缸蓋硬度對(duì)比

圖5　　缸蓋水套流速分布

圖6　　火花塞周圍間隙

圖7　座圈周圍間隙

圖8　缸蓋內(nèi)燃燒溫度測點(diǎn)布置

圖9　缸蓋內(nèi)部溫度測量

通過以上分析，缸蓋裂紋產(chǎn)生的主要原因：（1）鑄造工藝問題，造成缸蓋成品金相和硬度不達(dá)標(biāo)，缸蓋自身的綜合性能較差，抗熱負(fù)荷能力不足；（2）缸蓋水道表面積瘤嚴(yán)重，致使缸蓋火花塞周圍水流通道被嚴(yán)重堵塞，缸蓋冷卻不足，從而導(dǎo)致缸蓋溫度偏高。

3　　實(shí)施措施與驗(yàn)證

3.1鑄造工藝優(yōu)化

缸蓋底面硬度相對(duì)較差，這與缸蓋采用低壓鑄造有關(guān)。采用低壓鑄造方式，缸蓋底面最后充型，質(zhì)量相對(duì)較差。因此重新制作了缸蓋模具，將鑄造方式由低壓鑄造改為重力鑄造，并嚴(yán)格控制缸蓋熱處理過程，避免出現(xiàn)金相變質(zhì)不足的問題。采用重力鑄造工藝之后，隨機(jī)抽取了三個(gè)氣缸蓋，缸蓋硬度達(dá)到要求，金相組織為枝晶狀α固溶體+粒狀共晶硅+少量銅相，變質(zhì)正常，見圖10和圖11。

圖10　重力鑄造缸蓋溫度測量結(jié)果

圖11　重力鑄造缸蓋的金相組織

3.2缸內(nèi)溫度測量

對(duì)缸蓋水套處的圓角進(jìn)行加大處理，嚴(yán)格控制砂芯質(zhì)量，減小缸蓋內(nèi)部積瘤，保證缸蓋的冷卻效果。對(duì)改進(jìn)后的缸蓋溫度測量，發(fā)現(xiàn)缸蓋燃燒室內(nèi)部溫度有較大改善，平均降低5℃～7℃，見圖12。

3.3交變負(fù)荷試驗(yàn)

優(yōu)化后的缸蓋，經(jīng)過交變負(fù)荷試驗(yàn)后，缸蓋正常，沒有裂紋產(chǎn)生，達(dá)到了改善效果，見圖13。

通過優(yōu)化水套圓角和鑄造工藝的改善，缸蓋裂紋問題順利解決并通過了可靠性的驗(yàn)證，保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

圖12　　改進(jìn)后缸蓋內(nèi)部溫度測量

圖13　　改進(jìn)缸蓋試驗(yàn)后照片

4　　總結(jié)

（1）通過優(yōu)化鑄造工藝，使缸蓋的金相組織和硬度有了較大提高，提升了缸蓋本身耐疲勞能力及抗熱負(fù)荷能力。

（2）加大缸蓋火花塞處的水套圓角，保證冷卻水的流通面積，進(jìn)而保證缸蓋火花塞處的冷卻，避免熱負(fù)荷過高現(xiàn)象。

（3）此缸蓋裂紋的分析過程，結(jié)合CAE和試驗(yàn)測試，多方位地進(jìn)行分析，對(duì)類似質(zhì)量問題的解決提供了很好的參考價(jià)值，能盡快找到問題的真因，縮短問題的解決時(shí)間，減少產(chǎn)品的開發(fā)周期。

［1］藏權(quán)同，王旭.機(jī)車柴油機(jī)氣缸蓋裂紋破損模式和機(jī)理分析［J］.內(nèi)燃機(jī)車，1997（9）.

［2］楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

［3］賈延林，張翼，陳少林.氣缸蓋的有限元研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（3）.

［4］趙華.氣缸蓋裂紋原因分析及改進(jìn)建議［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2010（6）.

［5］魏小飛，舒楊，況定科.氣缸蓋脆斷裂紋分析及熱處理工藝優(yōu)化［J］.金屬熱處理，2013（2）.

Analysis and Solution of Cylinder Heads Cracks for a Four Cylinder Engine

Liu Yijia，Wang Hao，LiangYanru，Qie Yanli，Liu Cui
（1.Technical Center，Great Wall Motor Company Limited，Baoding 071000，China；2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center，Baoding 071000，China）

After 600 hours of alternating load experiment，on the nose bridge of cylinder head find out cracking.Main analyzes fracture of cylinder head，material，casting，cooling condition.Through the analysis find out cracks was caused mainly by hardness which was not up to standard，due to metamorphic microstructure，there exists tumors inside of cylinder head，lead to cross-section around spark plugs cooling water channel reduce.Because of insufficient cooling，there is a little higher heat load resulted from over internal temperature of the cylinder head.Improve mechanical properties and cooling capacity of water jacket，meliorating the casting process and optimizing the structure of water jacket of cylinder head are needed.Finally，the test results show that the same problem of cracks can be solved by improving capability of enduring heat load after another 600 hours of alternating load test.

cylinder head，cracks，casting，cooling，alternating load

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.011

來稿日期：2015-06-01

劉義佳（1986-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。