G32型柴油机活塞顶晶粒度的船检规范探索

饶晓丹

(中国船级社大连分社，辽宁大连116011)

0 引言

船用柴油机活塞是船舶产品检验的主要零部件之一，它不仅可以反映活塞顶材料制造的冶金过程，而且也对活塞服役过程的使用性能有重大影响.因此晶粒度则是一项重要的检验内容.现行的活塞顶检验规范依照中国船级社《材料与焊接规范》第一篇第五章进行［1］，然而不仅现行的修复活塞没有晶粒度检验要求，新加工制作的活塞顶的检验规范中以原材料晶粒度为检验结果也缺乏足够的依据.本文拟对G32型船用柴油机活塞顶生产过程中热处理对其晶粒度及组织结构的影响进行分析研究，为活塞顶的船舶检验提供技术依据，使其更加科学合理.

1 实验方法

活塞顶材料为42CrMoA圆钢，其化学成分为:C(0.42%)，Cr(1.05%)，Mo(0.20%)，Mn(0.75)，Si(0.25).活塞顶的制作工艺流程为:原料切割—锻造—粗加工—调质处理—精加工—环槽淬火—磨削—产品检验.锻造工艺参数为始锻温度1180℃，锻造比3.95;热处理工艺参数为880℃保温2 h淬火，540℃回火3 h.

分别对活塞顶原材料及与其同批次调质处理的原料试样进行晶粒度测试和组织结构观察，即将原材料取样后制成金相样品，用4%硝酸酒精腐蚀;将与活塞在相同的工艺参数下进行热处理的试样制成金相样品，用由蒸馏水-苦味酸-十二烷基苯磺酸钠配制成的腐蚀剂进行腐蚀［2］，分别用MM6金相显微镜对二者的晶粒度和组织结构进行观察分析，并在HX-1000维氏硬度计上测量了维氏硬度，测量载荷为100 g，每次测量均随机取三点并计算出平均值.

2 实验结果

活塞顶的原料为￠310园钢锻件，某批次的活塞顶的原材料的晶粒度和组织结构的金相观察结果见图1.

由图1可知，活塞顶的原材料晶粒大小不一，晶粒度为4～6级.其组织结构由珠光体/铁素体组成，二者所占比例分别为70%和30%左右，是典型的锻后空冷组织，且冷却速度较快.

与原材料不同，热处理后样品的组织结构由回火索氏体组成，且较前者细小致密，表明材料通过热处理发生了珠光体/铁素体—淬火马氏体—回火索氏体的相变.热处理后样品的晶粒度及金相组织如图2所示.由图2可知，其晶粒细小均匀，晶粒度为7～8级.

图1 原材料晶粒度及金相组织Fig.1 Grain size and microstructure of raw material

图2 与被检活塞同炉处理样品的晶粒度及金相组织Fig.2 Grain size and microstructure of separate sample treated along with pistons tobe inspected

表1与图3为维氏硬度测量结果，由表1的数据和图3的压痕可见，经过热处理试样的硬度明显高于原材料.原材料的平均硬度为HV0.1240.4，而热处理之后变为HV0.1301.7，提高了61.3.通常，材料的硬度与其组织结构密切相关，热处理前后硬度的变化与上述组织结构和硬度的变化完全一致.

表1 维氏硬度测量结果Tab.1 Vickers hardness measurement

图3 维氏硬度测量Fig.3 Vickers hardness

3 分析讨论

3.1 热处理对活塞晶粒度的影响

晶粒度测量结果表明，与原材料相比，材料经热处理后的晶粒度更为细小和均匀，这无疑是热处理过程对晶粒度改进的结果.由铁-碳相图可知，42CrMoA钢在始锻温度 (1180℃)时为粗大奥氏体组织，锻后自然冷却过程中发生相变，由粗大的母相奥氏体晶粒相变后生成的晶粒亦必然较粗大;此外，在连续冷却过程中，结晶的成核与长大过程在不同的温度下发生，结果导致相变后的晶粒度大小不一，有较大差别.与之相反，热处理样品的淬火温度仅为880℃，在此温度生成的奥氏体晶粒无疑小于1180℃生成的奥氏体晶粒，因此在淬火回火后生成均匀细小的晶粒.

3.2 热处理对活塞组织结构的影响

由金相观察结果可知，活塞原材料为典型的中碳钢珠光体/铁素体双相组织，二者的粗细及比例会因终锻温度的高低及冷却速度的快慢而改变.而材料在热处理过程中，由于淬火奥氏体化温度较低(880℃)，形成的细小奥氏体晶粒在淬火处理过程中转变为细小马氏体，继而经高温回火处理后形成细小的回火索氏体.回火索氏体的综合性能显然优于珠光体/铁素体，维氏硬度的测量结果也证实了这一点.

3.3 冶金质量对活塞顶性能与寿命的影响

之所以对活塞顶的冶金质量做出严格规范，是与其运行条件密切相关的.船用柴油机活塞在高温、高压甚至润滑不良的条件下工作，由于直接与高温气体接触，活塞顶部实际工作时温度高达600～700 K，且分布很不均匀;加之活塞顶部承受很大的气体压力，特别是做功行程压力可高达6～9 MPa，使活塞产生冲击，并承受侧压力的作用;此外，活塞在气缸内以很高的速度 (8～12 m/s)往复运动，且速度在不断地变化，由此产生的惯性使活塞受到很大的附加载荷［3］.活塞在这种恶劣的条件下运行，会产生变形﹑磨损，而且还受到燃气的化学腐蚀作用.活塞在运行过程中的各种损伤除了与运行条件有关，无疑还取决于材料的冶金质量，尤其是活塞的晶粒度.

晶粒是材料中具有同一晶向的晶胞的集合，晶粒度是晶粒大小的表征.因为晶粒度直接与热加工工艺参数相关，所以检验活塞的晶粒度还可以追溯活塞材料的热加工生产过程是否合理，如原材料的轧制温度控制﹑冷却速度及活塞调质过程的淬火回火温度与时间控制.此外，材料的机械性能及抗腐蚀性能均与晶粒度密切相关，如著名的Hall-Petch公式表明，材料的屈服强度与其晶粒度的平方根成反比［4］，σs=σi+kD-1/2，式中，σs为多晶体的屈服强度;σi为一常数;大体相当于单晶体的屈服强度;k为与材料相关的常数;D为平均晶粒直径，即晶粒度.显然，晶粒愈大，材料的强度愈低.在某些条件下，材料的腐蚀也多发生在晶界处即晶界腐蚀.因此，正确检验活塞顶的晶粒度，确保其在规定的范围，对于保证活塞的质量和运行寿命及安全十分重要.

综上所述，成品活塞顶的金相组织、晶粒度和硬度均与原材料密切相关，却又有较大差异，经过调质处理后各参量均有改善和提高，因此会对同一运行条件下活塞的安全运行及寿命产生影响，这是在制定活塞顶船检规范时应该考虑的.

4 结论

为了确保船用柴油机的运行安全和使用寿命，对其零部件生产过程的严格监控和产品质量的科学合理检验是不可或缺的，本文通过对G32型船用柴油机活塞顶检验过程冶金质量的试验研究得出如下结论:1)船用柴油机活塞顶的船舶检验由几何尺寸的度量和材料的冶金质量鉴定两部分组成，二者均会影响活塞的安全运行及使用寿命.2)活塞顶材料的冶金质量包括组织结构、晶粒度及硬度，在活塞顶的热加工过程中上述冶金参量均发生明显变化.3)经调质处理后，活塞顶的金相组织由珠光体/铁素体变为回火索氏体;晶粒度由4-6级变成7-8级;维氏硬度由240.4提高至301.7.4)上述活塞顶冶金参量在加工过程的改变说明，使用现行船检规范中的原材料冶金质量检验已不能准确代表成品活塞顶的冶金质量，因此建议将其修订为检验与活塞顶同批次调质处理试样的冶金参量.

［1］中国船级社.材料与焊接规范［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［2］罗宏.珠光体耐热钢调质处理后的晶界显示 ［J］.金属热处理，2005，30(12):91-92.

［3］杜荣铭.船舶柴油机［M］.大连:大连海事大学出版社，1997.

［4］赵杰.材料科学基础［M］.大连:大连理工大学出版社，2010.