디젤 엔진의 피스톤 스커트 균열: 원인 및 수정

우리 회사에서 디젤 엔진을 7305시간 작동한 후 세 번째 실린더의 피스톤 스커트에서 균열이 발견되었습니다.

균열의 원인을 파악하기 위해 피스톤 스커트를 해부하고 균열의 화학적 조성, 기계적 특성, 거시 구조, 거시 형태, 미세 구조에 대한 종합적인 분석과 평가를 실시했습니다.

1. 피스톤 스커트의 기술적 요구 사항

당사는 피스톤 스커트에 4032 소재의 T6 납품 상태의 다이 단조를 사용하여 고용체 열처리를 거칩니다. 이 소재의 화학 성분은 GB/T3190을 준수합니다.

생산 공정에는 단조, 고용체, 인공 노화 및 기계 가공이 포함됩니다. 단조, 고용체 및 인공 노화 후 피스톤 스커트의 기계적 특성은 다음과 같습니다: HBS=100~125(10/1000), σb≥280MPa, δ5≥1%.

쿼터 섹션의 거시 구조에는 분리, 균열, 기공 또는 내포물이 없어야 합니다. 금속의 흐름 방향은 일반적으로 단조품의 윤곽을 따라 흐르거나 접히지 않아야 합니다.

품질 관리를 위해 인장 샘플의 끝에서 샘플을 채취한 다음 100배율 또는 400배율 현미경을 사용하여 검사합니다. 샘플에는 내포물, 분리 또는 과다 연소와 같은 유해한 결함이 포함되어서는 안 됩니다.

2. 크랙 발견 프로세스

다음은 피스톤 스커트 검사를 위해 제공된 사진을 분석한 결과입니다.

그림 1은 균열이 보이는 피스톤 스커트 사진을 보여줍니다. 균열은 본질적으로 횡방향이며 피스톤의 외경에 위치합니다. 균열은 피스톤 직경의 1/4 이상이며 벽 두께를 관통하고 있습니다.

그림 2는 내부 공동의 균열 형태를 보여줍니다. 균열은 피스톤 내부에서 핀홀을 통해 외부 표면으로 확장됩니다.

그림 3은 외력에 의해 균열을 따라 피스톤 스커트가 열리는 사진을 보여줍니다. 균열의 파단 형태를 분석하는 것이 목적입니다.

그림 4는 피스톤 스커트를 상호 수직인 중심선을 따라 해부한 사진입니다. 해부의 목적은 저배율 섬유 유선형을 포함한 피스톤 스커트의 기계적 특성을 테스트하고 분석하는 것입니다.

(1) 피스톤 스커트의 화학 성분을 검사하고 재료는 4032GB / T3190입니다. 검사 결과는 표 1에 나와 있습니다.

표 1 화학 성분(질량 분율)(%)

결론: 화학 성분은 GB/T3190에서 4032의 요구 사항을 충족합니다.

(2) 기계적 특성을 테스트했으며 그 결과는 표 2에 나와 있습니다.

표 2 기계적 특성 테스트

결론: 기계적 특성이 인증되고 설계 요구 사항을 충족합니다.

(3) 거시 구조를 검사하고 골절을 분석했습니다.

그림 5에서 볼 수 있듯이 금속 섬유의 흐름 방향은 단조 윤곽을 따라 대략적으로 분포되어 있으며, 흐름이나 접힘의 흔적이 없어 정상적인 거시 구조를 나타냅니다.

그림 6에서 피스톤 스커트의 균열 시작 지점은 작은 오일 구멍과 피스톤 핀 오일 홈이 만나는 날카로운 모서리에 있음을 알 수 있습니다.

파단 형태에서 뚜렷한 소성 변형은 관찰되지 않습니다. 그러나 거시 구조에서 전형적인 피로 밴드가 보이며 피로 아크의 중심은 오일 홀의 날카로운 모서리를 향하고 있습니다.

그림 7은 피스톤 스커트 외부 표면의 균열 끝 형태를 보여줍니다. 이 균열은 중간에 피로 밴드가 나타나고 자유 표면 근처의 일시적 균열 영역에서 불안정한 점핑 융기선이 나타납니다.

그림 8은 피로 소스 영역에서 오일 홀의 날카로운 모서리의 전면 매크로 형태를 보여줍니다. 매크로 형태는 오일 홀의 날카로운 모서리에 버 플래시와 버에 원래 균열이 없음을 나타냅니다.

마지막으로 그림 9는 골절 확장 영역이 분열 형태에 의해 지배된다는 것을 보여줍니다.

(4) 광학 현미경으로 골절을 관찰하고 섬유 구조를 분석했습니다.

그림 10에는 광학 현미경으로 촬영한 금속 조직 표본의 사진이 나와 있습니다. 미세 구조는 α+ (α+ Si) + 강화 상과 불순물 상으로 구성되어 있으며 야금 또는 열처리 결함이 없는 정상적인 미세 구조를 나타냅니다.

그림 11은 주사 전자 현미경으로 단면 시편을 촬영한 사진으로, 오일 홀 가공의 날카로운 모서리에서 파손이 시작되었음을 보여줍니다.

그림 12는 골절 시작원 영역의 형태를 보여 주며, 딤플 형태가 골절의 최종 골절 영역을 지배하고 있음을 보여줍니다.

3. 결과 및 분석

(1) 검사 결과 분석

화학 성분 분석에 따르면 피스톤 스커트의 화학 성분은 GB/T3190의 재료 4032 표준을 충족합니다.

피스톤 스커트의 기계적 특성은 제품의 설계 요구 사항을 충족합니다.

피스톤 스커트의 금속 구조 및 거시 구조는 정상이며 야금, 열처리 또는 단조 결함 가 감지되었습니다.

균열은 피스톤 스커트의 오일 구멍과 피스톤 핀 구멍의 오일 홈이 교차하여 형성된 예각 표면에서 시작됩니다.

균열은 피스톤 스커트를 따라 옆으로 퍼지고 내부에서 외부로 확장되어 전형적인 피로 균열.

(2) 크래킹 원인 분석

피스톤 스커트가 가공 된 후 오일 구멍의 오일 홈과 피스톤 핀 구멍이 예각을 이룹니다. 여전히 깨끗하지 않은 버가 있으며 말린 버에서 많은 원래 균열을 볼 수 있습니다. 이러한 균열로 인해 피스톤 스커트가 작동 중에 피로하고 균열이 발생합니다.

구체적인 크래킹 프로세스 분석은 다음과 같습니다:

그리고 날카로운 모서리 은 응력 집중 영역이며, 작은 균열은 응력 집중 영역에 외력이 가해져 날카로운 모서리가 피로 원인 영역이 됩니다.

피로원 영역은 노치에 매우 민감하며 최종 노치(균열)는 응력 집중 하에서 확장 및 전파되어 피스톤 스커트의 균열을 초래합니다. 따라서 균열은 오일 구멍의 날카로운 모서리에 있는 버에 의해 발생하는 피로 균열입니다.

실제 생산 공정에서는 단조, 열처리, 가공 및 조립과 같은 각 공정을 시작하기 전에 피스톤 스커트 표면에 구덩이, 균열, 버 및 기타 결함이 있는지 부품을 검사해야 합니다.

결함이 발견되면 다음 공정에 들어가기 전에 청소해야 합니다. 이렇게 하면 후속 생산 또는 사용 시 결함 확대로 인한 부품의 폐기를 방지하는 데 도움이 됩니다.