■ 孫淑霞，王劍，王瀟如，夏金寶

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近年來(lái)，隨著新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，高爆壓、高負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，并且輕量化設(shè)計(jì)趨勢(shì)明顯加快，這就對(duì)作為內(nèi)燃機(jī)核心部件的活塞提出更高的設(shè)計(jì)要求，在活塞頂部靠近鑲?cè)Ω浇黾诱袷幚鋮s油腔設(shè)計(jì)是一種普遍采用的方式。冷卻油通過(guò)主油道一側(cè)的噴嘴噴入活塞冷卻油腔中，在冷卻油腔內(nèi)振蕩吸收活塞熱量后流出，從而降低活塞（特別是活塞頭部）溫度。依據(jù)內(nèi)冷油腔成形工藝的不同，又區(qū)分為水溶鹽芯活塞和焊接活塞。下面主要針對(duì)水溶鹽芯活塞（見(jiàn)圖1）在生產(chǎn)或使用中內(nèi)冷油腔常見(jiàn)的幾種潛在失效模式進(jìn)行討論和解析。

圖1 水溶鹽芯活塞

1. 內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效

內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效（見(jiàn)圖2）是一種最常見(jiàn)失效模式，能占到內(nèi)冷油腔失效數(shù)量的80%以上。內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效的直接后果是內(nèi)冷油腔與環(huán)槽和燃燒室的距離變窄，造成環(huán)岸斷裂或燃燒室擊穿。內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效存在多種表現(xiàn)形式，總體可歸納為四類(lèi)（見(jiàn)圖3）：①內(nèi)冷油腔徑向偏移。②內(nèi)冷油腔軸向偏移。③內(nèi)冷油腔翹曲變形。④內(nèi)冷油腔平面失圓。

圖2 內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效

圖3 內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效表現(xiàn)形式

研究表明，內(nèi)冷油腔徑向偏移失效模式出現(xiàn)的原因包括：①鹽芯本身的定位孔偏離中心位置。②模具上的鹽芯定位支撐在外力作用下發(fā)生傾斜、彎曲或偏移。

內(nèi)冷油腔軸向偏移失效模式出現(xiàn)的原因包括：①鹽芯本身制造尺寸偏大。②模具上的鹽芯定位支撐在脫模力反復(fù)作用下發(fā)生延展伸長(zhǎng)，從而影響到鹽芯的位置。③鹽芯鑲?cè)胄颓粫r(shí)沒(méi)固定到位。

內(nèi)冷油腔翹曲變形失效模式出現(xiàn)的原因包括：①鹽芯在經(jīng)過(guò)焙燒時(shí)，工藝溫度過(guò)高，造成鹽芯熱塑變形。②鹽芯在經(jīng)過(guò)焙燒后，鹽芯托盤(pán)翹曲變形，造成鹽芯在高溫下隨其變形。③大區(qū)域含水的鹽芯鑲?cè)胄颓唬诟邷亟饘僖旱臎_擊和熱膨脹作用下也會(huì)造成翹曲變形。

內(nèi)冷油腔平面失圓一般發(fā)生在鹽芯兩個(gè)定位點(diǎn)相垂直的方向上。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鹽芯在鑄入型腔時(shí)，在高溫金屬液的作用下，依據(jù)鹽芯直徑和截面積的不同會(huì)發(fā)生0.8～2mm的熱脹。在兩定位點(diǎn)方向上，由于受到定位點(diǎn)的限制鹽芯外徑尺寸基本無(wú)變化，鹽芯的熱脹量就會(huì)集中體現(xiàn)在兩個(gè)定位點(diǎn)相垂直的方向上，造成內(nèi)冷油腔平面失圓，所以在設(shè)計(jì)鹽芯定位點(diǎn)時(shí)一定要充分考慮鹽芯的熱脹量。

在實(shí)際生產(chǎn)中, 內(nèi)冷油腔幾何尺寸失效并不是以單一的形式存在的，往往是以上幾種形式的組合，所以具體情況還要具體分析。

2. 內(nèi)冷油腔氣泡失效

內(nèi)冷油腔氣泡失效（見(jiàn)圖4）是一種危害性極大的失效模式，大部分情況下是隱藏在產(chǎn)品內(nèi)部（見(jiàn)圖4a），只有少部分可以從表面被發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖4b）。內(nèi)冷油腔氣泡失效模式的直接危害就是燃燒室擊穿，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力迅速下降甚至失去動(dòng)力。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)失效模式產(chǎn)生的原因是：①鹽芯焙燒不充分，鹽芯自身含有水分，在高溫金屬液充型時(shí)，鹽芯內(nèi)的水分被汽化又來(lái)不及排出型腔，就在鹽芯附近形成氣泡。②經(jīng)充分焙燒的鹽芯，在后續(xù)的周轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)、操作過(guò)程中受到水或油的污染。③重新更換的鹽芯定位支撐沒(méi)經(jīng)過(guò)高溫烘干，加工過(guò)程中的油料或切削液殘留，在高溫金屬液充型時(shí)被汽化又來(lái)不及排出型腔，也可在鹽芯附近形成氣泡。

3. 內(nèi)冷油腔帶狀氧化物失效

內(nèi)冷油腔帶狀氧化物失效（見(jiàn)圖5）也是一種常見(jiàn)的失效模式，只是因?yàn)樗斐傻闹苯雍蠊皇呛車(chē)?yán)重，所以一直沒(méi)被重視。內(nèi)冷油腔帶狀氧化物一般呈薄片狀（一般厚度≤2mm），或沿內(nèi)冷油腔方向或沿內(nèi)冷油腔截面方向與內(nèi)冷油腔內(nèi)壁鑄造成一體。這種帶狀氧化物一般不會(huì)脫落，但一旦脫落就會(huì)在活塞與缸體間形成異物造成拉缸。

圖4 內(nèi)冷油腔氣泡失效

造成內(nèi)冷油腔帶狀氧化物失效模式的原因是鹽芯分層或斷裂、高溫金屬液鑄入鹽芯夾層或裂縫中形成的。鹽芯分層或斷裂的原因是：①混料不均勻，形成干粉料夾層。②鹽料流塑性差，鹽料中裹挾的空氣膜無(wú)法排除。③烘干或焙燒工藝不合理，存在“燒裂”現(xiàn)象。④鹽芯儲(chǔ)存環(huán)境溫度過(guò)低，造成“干裂”現(xiàn)象。⑤鹽芯成形模具設(shè)計(jì)不合理，存在“脫模拉縫”現(xiàn)象。⑥鹽芯定位支撐與鹽芯定位孔配合不當(dāng)，定位支撐將鹽芯定位孔脹裂。⑦鹽芯定位孔或鹽芯定位支撐發(fā)生偏移，定位孔與定位支撐之間存在強(qiáng)力配合現(xiàn)象，鹽芯在高溫金屬液熱沖擊下斷裂。

4. 內(nèi)冷油腔殘鹽失效

內(nèi)冷油腔殘鹽失效（見(jiàn)圖6）也是一種常見(jiàn)的內(nèi)冷油腔失效模式，這種失效模式常常與內(nèi)冷油腔帶狀氧化物失效（見(jiàn)圖6紅色箭頭尾部）相伴存在。內(nèi)冷油腔殘鹽失效的表現(xiàn)形式是內(nèi)冷油腔的某段范圍內(nèi)部分截面或整個(gè)截面被殘留的鹽芯堵塞。這種失效模式的后果是內(nèi)冷油腔的冷卻降溫效果不能滿足設(shè)計(jì)要求，并且隨著時(shí)間推移這些殘余的鹽料還會(huì)脫落腐蝕活塞和缸體。

圖5 內(nèi)冷油腔帶狀氧化物失效

圖6 內(nèi)冷油腔殘鹽失效

內(nèi)冷油腔殘鹽失效模式產(chǎn)生的原因是：①已經(jīng)存在內(nèi)冷油腔帶狀氧化物失效，將內(nèi)冷油腔部分或整個(gè)截面堵塞，從而影響鹽芯的水洗效果。②混料不均勻，粘結(jié)劑結(jié)塊，在焙燒過(guò)程中形成琉璃體，從而影響鹽芯的水洗效果。③鹽料流塑性差，在壓制成形時(shí)鹽芯不同段的密度差異較大，同等水洗工藝條件下存在鹽芯殘留現(xiàn)象。④鹽芯在焙燒時(shí)，焙燒爐膛內(nèi)溫度不均勻或鹽芯擺放過(guò)于密集，造成靠近加熱源的鹽芯部分被燒結(jié)成琉璃體。⑤在鹽芯水洗過(guò)程中，水洗管路局部堵塞或水壓降低影響鹽芯的水洗效果。

5. 內(nèi)冷油腔應(yīng)力裂紋失效

圖7 內(nèi)冷油腔應(yīng)力裂紋失效

內(nèi)冷油腔應(yīng)力裂紋失效（見(jiàn)圖7）是一種隱蔽性很強(qiáng)卻危害性極大的內(nèi)冷油腔失效模式，現(xiàn)有檢測(cè)儀器很難探測(cè)到該類(lèi)缺陷，只有在分析活塞質(zhì)量事故時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)它的存在，所以該類(lèi)失效模式只能通過(guò)提高過(guò)程能力加以保證和預(yù)防。內(nèi)冷油腔應(yīng)力裂紋失效的直接后果是造成活塞斷裂或燃燒室擊穿，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力迅速下降甚至失去動(dòng)力。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)失效模式產(chǎn)生的原因是：①產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)冷油腔與活塞內(nèi)腔間距離過(guò)小，不利于金屬液充型。②金屬液凈化不徹底，充型時(shí)金屬液中的氧化夾雜物黏附在鹽芯表面，形成應(yīng)力裂紋源（見(jiàn)圖7b）。③鹽芯分模面清除不徹底，存在分模尖棱，在內(nèi)冷油腔中形成尖角過(guò)渡，這也是鑄造最忌諱的問(wèn)題。

6. 結(jié)語(yǔ)

對(duì)活塞內(nèi)冷油腔潛在失效模式的解析旨在詳細(xì)梳理鹽芯制作和內(nèi)冷活塞鑄造過(guò)程，找到生產(chǎn)活動(dòng)中可能存在的不穩(wěn)定因素，優(yōu)化過(guò)程控制方法，提升制造過(guò)程能力，保證生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的活塞產(chǎn)品。在今后的工作中需要不斷加強(qiáng)相關(guān)失效案例及數(shù)據(jù)的研究，進(jìn)一步提升行業(yè)發(fā)展水平。