汽车发动机活塞环装配断裂分析

孔新建，张明旺

浙江零跑汽车有限公司 浙江杭州 310053

1 序言

活塞环是一个关键的汽车发动机零部件，从形状上看是具有一定开口的金属环，应具有足够高的耐蚀性和耐磨性[1]。目前汽车发动机活塞环主要使用综合性能优异的合金钢产品[2]，例如高铬马氏体钢活塞环，表面氮化处理与PVD处理可显著提高其强度和耐磨性[3-4]。某型号汽车发动机活塞环的材质为9Cr18MoV马氏体不锈钢，活塞环表面经氮化处理+PVD处理，装配工人作业时发生多起活塞环断裂事件。背景调查发现，工人严格按照作业指导书进行装配操作，无违规操作，活塞环却发生异常断裂。本文重点研究分析活塞环断裂失效的原因，协助制定相应的整改措施。

图1 活塞环断裂位置

2 试验结果

2.1 断口观察

活塞环试样经超声波清洗后，在Quanta FEG650型扫描电镜下观察其断口，宏观断口形貌如图2所示。根据断口形貌特征判断，断口裂纹源区位于内侧面的表面淬硬层内部，而外侧面终断区有层状撕裂特征。裂纹源区呈准解理形貌特征，如图3所示。断口外表面整周深约0.05mm区域呈准解理形貌，整个断裂面存在一定的磨损损伤，未磨损断面上未见明显的材料缺陷。活塞环断面的心部（属裂纹扩展区）观察到韧窝形貌特征，如图4所示。

图2 断口形貌特征

图3 裂纹源区准解理形貌特征

图4 裂纹扩展区韧窝形貌特征

2.2 金相检验

在活塞环随机位置切取横截面试样，磨抛处理并经侵蚀后，使用Zeiss Axio Imager M2m型显微镜进行观察分析，如图5所示。结果表明，活塞环的氮化层深度为0.062mm，符合技术要求；PVD层仅存在于活塞环的外侧面，厚度为0.018mm，符合技术要求。

图5 活塞表面氮化层与PVD层

在断口附近取横截面试样，磨抛处理后，使用Zeiss Axio Imager M2m型显微镜进行观察分析。结果发现，在活塞环内侧面的氮化层区域内存在3条微裂纹，断续地分布在同一直线方向上，基本贯穿整个氮化层，总长度约0.050mm。在同一批次来料的活塞环中继续抽检，也在氮化层内发现了类似的微裂纹，证实了这并非偶然现象，而是普遍存在的。供应商未出厂的同一批次产品也进行随机抽检，并未发现任何显微裂纹。经追溯性调查证实，物流转运过程中保护措施不到位，活塞环受到相互挤压和撞击，在硬而脆的氮化层区域内产生了微裂纹，如图6所示。

图6 活塞表面氮化层内的显微裂纹

3 分析与讨论

根据以上试验结果，活塞环的氮化处理与PVD处理的结果符合规范要求。

在物流转运过程中，活塞环表面氮化层内产生了微裂纹。在装配过程中，当受到较低的工作应力时，原来存在的微裂纹尖端产生应力集中，微裂纹通过准解理机制迅速扩展到较大的范围；又因活塞环表层硬化区断裂韧性差，裂纹得以迅速扩展并完全断裂；心部基体组织韧性较佳，以延性破坏为特征，断口具有明显的韧窝形貌；最终瞬断区为外侧面边缘处硬度极高的PVD层，形成层状撕裂形貌。

4 结束语

本文对装配中断裂的汽车发动机活塞环做了断口观察与金相检验，讨论了活塞环断裂的原因，主要结论如下：

1）活塞环的氮化层深度与PVD层深度均符合规范要求。

2）物流转运过程中保护不当，致使氮化层区域内产生微裂纹，是活塞环在装配过程发生断裂的根本原因。