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¿Alguna vez se ha preguntado por qué baja de repente el rendimiento de su motor diésel? Descubra el culpable oculto: las grietas en la falda del pistón. Este artículo explora las causas de estas grietas, como defectos de material y concentraciones de tensiones, y ofrece soluciones detalladas para prevenirlas. Al final, entenderá cómo mantener la integridad del motor y evitar costosas reparaciones. Sumérjase y asegúrese de que su motor diesel funcione sin problemas durante muchos años.
Después de 7305 horas de funcionamiento de un motor diesel en nuestra empresa, se encontraron grietas en la falda del pistón del tercer cilindro.
Para determinar la causa del agrietamiento, diseccionamos la falda del pistón y realizamos un análisis y una evaluación exhaustivos de la composición química, las propiedades mecánicas, la macroestructura, la macromorfología y la microestructura de la fractura.
Nuestra empresa utiliza forja a presión para la falda del pistón, hecha de material 4032 en el estado de entrega T6, que se somete a tratamiento térmico de solución sólida. La composición química del material cumple la norma GB/T3190.
El proceso de producción incluye la forja, la solución sólida, el envejecimiento artificial y el mecanizado. Tras el forjado, la solución sólida y el envejecimiento artificial, las propiedades mecánicas de la falda del pistón son: HBS=100~125 (10/1000), σb≥280MPa, y δ5≥1%.
La macroestructura del cuarto de sección no debe presentar segregación, grietas, poros ni inclusiones. La dirección de flujo del metal sigue generalmente el contorno de la forja sin atravesarla ni doblarla.
Para el control de calidad, se toma una muestra al final de la tracción, que se examina con un microscopio con un aumento de 100x o 400x. La muestra no debe contener defectos perjudiciales, como inclusiones, segregación o sobrecalentamiento.
A continuación se analizan las fotografías facilitadas para la inspección de la falda del pistón.
La Fig. 1 muestra una fotografía de la falda del pistón con grietas visibles. Las grietas son transversales y están situadas en el diámetro exterior del pistón. Las grietas miden más de 1/4 del diámetro del pistón y han penetrado en el espesor de la pared.
La Fig. 2 muestra la morfología de la grieta en la cavidad interior. La grieta se extiende desde el interior del pistón a través del orificio y hasta la superficie exterior.
La Fig. 3 muestra una fotografía de la abertura de la falda del pistón a lo largo de la grieta con una fuerza externa. El objetivo es analizar la morfología de fractura de la grieta.
La Fig. 4 es una fotografía de la falda del pistón diseccionada a lo largo de líneas centrales mutuamente perpendiculares. El propósito de la disección es probar y analizar las propiedades mecánicas de la falda del pistón, incluyendo la línea de flujo de fibra de bajo aumento.
(1) Se inspecciona la composición química de la falda del pistón, y el material es 4032 GB / T3190. Los resultados de la inspección se muestran en la Tabla 1.
Cuadro 1 composición química (fracción másica) (%)
| Elemento | Valor medido | Requisito | Determinación de la conformidad |
| Si | 11.82 | 11.0~13.5 | coincidente |
| Fe | 0.26 | ≤1.00 | coincidente |
| Cu | 0.76 | 0.50~1.30 | coincidente |
| Mg | 0.98 | 0.80~1.30 | coincidente |
| Mn | 0.021 | – | – |
| Ni | 0.69 | 0.50~1.30 | coincidente |
| Zn | 0.031 | ≤0.25 | coincidente |
| Ti | 0.014 | – | – |
| Cr | 0.032 | ≤0.10 | coincidente |
| Al | margen | – | – |
Conclusión: la composición química cumple los requisitos de 4032 en GB / T3190.
(2) Se probaron las propiedades mecánicas y los resultados se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2 ensayo de propiedades mecánicas
| Proyecto | Valor medido | Requisito | Determinación de la conformidad |
| Resistencia a la tracción / MPa | 352.1 | ≥280 | coincidente |
| Límite elástico /MPa | 333.0 | – | – |
| Alargamiento tras fractura (%) | 4.6 | ≥1 | coincidente |
| Dureza HBS | 115 | 100~125 | coincidente |
Conclusión: las propiedades mecánicas están cualificadas y cumplen los requisitos de diseño.
(3) Se inspeccionó la macroestructura y se analizó la fractura.
Como se muestra en la Figura 5, la dirección de flujo de la fibra metálica se distribuye aproximadamente a lo largo del contorno de forja, sin signos de flujo o plegado, lo que indica una macroestructura normal.
La figura 6 revela que el punto de iniciación de la grieta en la falda del pistón está situado en la esquina aguda donde se unen el pequeño orificio de aceite y la ranura de aceite del bulón del pistón.
No se observa ninguna deformación plástica evidente en la morfología de la fractura. Sin embargo, en la macroestructura se aprecian las típicas bandas de fatiga, y el centro del arco de fatiga apunta hacia la esquina aguda del orificio de aceite.
La figura 7 muestra la morfología del extremo de la grieta en la superficie exterior de la falda del pistón. La fractura presenta bandas de fatiga en el centro y líneas de cresta saltarinas inestables en la zona de fractura transitoria cerca de la superficie libre.
La figura 8 ilustra la macro morfología frontal de la esquina aguda del orificio de aceite en la zona del origen de la fatiga. La macromorfología indica que no hay rebabas ni grietas originales en la rebaba de la esquina aguda del orificio de aceite.
Por último, la figura 9 muestra que en la zona de extensión de la fractura predomina la morfología de clivaje.
(4) Se observó la fractura con un microscopio óptico y se analizó la estructura de la fibra.
En la Fig. 10 se muestra una fotografía del espécimen metalográfico bajo un microscopio óptico. La microestructura consiste en α+ (α+ Si) + fase de refuerzo y fase de impurezas, mostrando una microestructura normal sin defectos metalúrgicos ni de tratamiento térmico.
La Fig. 11 muestra una fotografía de la sección transversal del espécimen bajo el microscopio electrónico de barrido, revelando que la fractura se origina en la esquina aguda del procesamiento del orificio de aceite.
La Fig. 12 ilustra la morfología de la zona de origen del inicio de la fractura, demostrando que la morfología del hoyuelo domina la zona final de la fractura.
Según el análisis de composición química, la composición química de la falda del pistón cumple las normas del material 4032 de GB/T3190.
Las propiedades mecánicas de la falda del pistón cumplen los requisitos de diseño del producto.
La estructura metalográfica y la macroestructura de la falda del pistón son normales, y no se ha detectado ningún problema metalúrgico, de tratamiento térmico o de defectos de forja se detectaron.
La grieta se origina en la superficie de ángulo agudo formada por la intersección del orificio de aceite de la falda del pistón y la ranura de aceite del orificio del bulón del pistón.
La grieta se extiende lateralmente a lo largo de la falda del pistón y se extiende desde el interior hacia el exterior, lo que indica una típica grieta por fatiga.
Después de mecanizar la falda del pistón, la ranura del orificio de aceite y el orificio del bulón del pistón forman un ángulo agudo. Todavía hay rebabas sucias, y se pueden ver muchas grietas originales en las rebabas rizadas. Estas grietas hacen que la falda del pistón se fatigue y se agriete durante el funcionamiento.
El análisis específico del proceso de agrietamiento es el siguiente:
En borde afilado es una zona de concentración de tensiones, y la pequeña grieta está sometida a una fuerza externa en la zona de concentración de tensiones, haciendo que el borde afilado se convierta en una zona fuente de fatiga.
La zona de origen de la fatiga es muy sensible a las muescas, y la muesca final (grieta) se extiende y propaga bajo la concentración de tensiones, dando lugar a la grieta de la falda del pistón. Por lo tanto, las grietas son grietas de fatiga causadas por rebabas en las esquinas afiladas de los orificios de aceite.
En el proceso de producción real, debemos inspeccionar las piezas en busca de picaduras, grietas, rebabas y otros defectos en la superficie de la falda del pistón antes del inicio de cada proceso, como la forja, el tratamiento térmico, el mecanizado y el montaje.
Si se encuentra algún defecto, debe limpiarse antes de pasar al siguiente proceso. Esto ayudará a evitar el desguace de piezas debido a la expansión de los defectos en la producción o el uso posteriores.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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