内燃机车柴油机连杆小端衬套裂纹分析

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1、万方数据第35卷第6期2015年12月铁道机车车辆RAII。WAYLOCOMOTIVE8_．CARVol-35No．6Dec．2015文章编号：1008—7842(2015)06—0099—03内燃机车柴油机连杆小端衬套裂纹分析李(中国中车兰州机车有限责任公司硕质量保证部理化室，甘肃兰州730050)摘要柴油机连杆小端衬套在机车运行中出现裂纹，利用宏观检验、化学分析、金相检验等手段对产生裂纹的连杆小端衬套进行检验，结合连杆小端衬套设计中对材料的变动情况进行分析，结果表明，连杆小端衬套制造中对材料的改变存在设计缺陷，加之加工工艺不良最终导致连杆小端衬套在运行中产生裂纹。关键

2、词柴油机；连杆衬套；裂纹；失效分析；ZCuSnl0P1中图分类号：U262．11文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1008—7842．2015．06．25某内燃机车出厂不久在运行中发生故障，该机车返厂后，将连杆小头衬套拆下检查，发现机车柴油机连杆小端衬套出现裂纹，拆卸下来的连杆小端衬套及裂纹情况如图1，衬套两边的止动销处均出现裂纹，裂纹周围有明显的圆弧形变色区域。连杆小端衬套原设计材质为ZCuSnlOPblO。主要制造工艺为铸造、机加工，经了解该连杆衬套生产厂家对原设计做了改动，材料由ZCuSnlOPblO改为ZCuSnl0P1。图I出现裂纹的连杆衬套1

3、宏观检验连杆小端衬套裂纹如图2，裂纹十分明显，位于两面止动销底部且贯通，裂纹及附近无明显的宏观塑性变形。裂纹附近及周围有明显的颜色变化，表明裂纹附近曾经受热。图2连杆衬套裂纹形貌李硕(1968一)男，高级工程师(收稿日期：2015—06—13)2理化检验2．1化学分析在失效的连杆小端衬套裂纹附近钻取试样进行化学分析结果如表1。表l连杆小端衬套化学成分(质量分数)％往：(1)GB1i76—87规定·磷的含量口】以变动，最高日】达1．5％。(2)其他的元素为杂质，量少时对合金的影响较小。由表1可见，连杆小端衬套化学成分符合GB1176—1987{铸造铜合金技术条件》标准中对Z

4、CuSnl0P1的要求。2．2金相检验在裂纹处沿连杆衬套周向锯取金相试样，经磨制、抛光及侵蚀，在400倍显微镜下观察，结果如图3，白色的基体组织为0t固溶体，沿晶界分布颜色较深的相，根据相图分析可知为Cu。P，Cu。P中分布的颜色较浅的小颗粒状的相为电子化合物6相及少量由于偏析严重而生成的三元共晶T相(a+6+Cu。P)，6相是以具有复杂立方晶格的电子化合物Cu。。Sn。为基的固溶体。在400倍显微镜下观察，裂纹较为曲折，裂纹的走向基本与晶界一致，如图4。2．3力学性能测试由表2可见，连杆小端衬套力学性能符合GB1176—1987标准中对ZCuSnl0P1的要求。3分析讨

5、论纯铜强度较低，在工业中的应用较少，Sn元素的加入，溶入铜中形成固溶体，起到固溶强化的作用，形成锡青铜，除了比纯铜、黄铜强度更高外，还耐腐蚀、耐低温、万方数据100铁道机车车辆第35卷图3连杆小端衬套金相组织图4连杆小端衬套裂纹微观形貌表2连杆小端衬套力学性能测试具有好的焊接性能及冲击时不产生火花等特点。但是由于纯粹的锡青铜结晶范围较宽，铸造流动性差，凝固线收缩小，容易形成疏松、反偏析等缺陷，严重时还会在表面形成白色6相的锡汗瘤。为了改善这些缺陷，一般可以加入P、Zn、Pb等，组成相应的合金，其中锡磷青铜的使用最广泛。Pb的加入，形成锡铅青铜，GB1176—1987标准表

6、明ZCuSnl0Pbl0主要用于高负荷、高滑动速度下工作的耐磨零件，连杆衬套及轴瓦等均采用该材料[1]。P的加入能改善铸造性能，脱氧，提高强度、硬度、弹性极限、弹性模量、疲劳极限和耐磨性，形成锡磷青铜。但是P的加入使0t相区向铜角缩小，组织中出现Cu。P，为非金属夹杂物，属低熔点脆性相[2]。锡青铜中加入合金元素，是为了形成固溶体，以改善性能，由于Sn的偏析，成分中Sn大于7％时，铸态时就不能形成单相的a固溶体，且由于占相必须在缓冷的条件下才能分解成a+￡(Cu。Sn)共析组织，因此其常温下的组织为0t+6共析体[3]，只有经均匀化退火，消除偏析，才能形成理想的单相0t固

7、溶体，该连杆衬套组织中存在较多脆性相，且分布于晶界处，对材料的影响较大，尤其是大量分布于晶界Cu。P及T相(a+6+Cu。P)的存在，使材料加工或受力产生热量，导致温度升高时，晶界的低熔点相熔化，在应力的作用下产生热裂纹。资料显示，训(p)％大于0．5％的时候，在加工就容易产生热裂纹n]。而ZCuSnlOPl中P的含量范围为0．5％～1．0％，该连杆小端衬套的磷含量为0．94％，因此ZCuSnl0P1一般情况下都是不能在温度较高的工况下工作，若零件在使用中产生了较大的热量和一定的应力，就会在受热并有应力处产生裂纹。东风系列内燃