气缸盖脆断裂纹分析及热处理工艺优化

　　搭载长安某型号发动机的试验车在路试过程中，水道螺塞拧紧力矩失控，运行到5500km时对该气缸盖采取临时措施，将水道螺塞拆卸，重新按设计扭矩拧紧。整车工况运行到13000km时，出现油水混合现象，泄漏检查发现气缸盖第1、2缸之间水道螺塞排气侧存在裂纹，严重影响发动机寿命。本次产生裂纹的气缸盖主要工艺流程: 铝合金熔炼→低压铸造→固溶→时效→机加工→总装; 铝合金材料为AC4B(日本牌号)。

　　气缸盖是发动机关重零部件之一，不仅要承载紧固螺栓的机械力作用，还要承受燃气的高温、高压作用和冷热交替应力作用[1]。随着发动机功率等增加和轻量化的发展，对发动机气缸盖提出了更高的要求。气缸盖结构和工艺复杂，且缺陷无法修复; 气缸盖裂纹也是最常见的质量缺陷，严重影响发动机的使用寿命。

　　1 裂纹原因分析

　　首先详细描述了气缸盖裂纹位置，应用计算机辅助工程CAE(Computer aided engineering)分析和试验检测数据分析裂纹可能产生的原因。

　　1.1 裂纹位置

　　气缸盖裂纹位置描述如图1所示，图1(a)为缸盖整体照片，图1(b)为裂纹近照，气缸盖排气侧水道螺塞处有明显裂纹，图1(c)、(d)为裂纹处样件解剖图及裂纹源位置图。

　　1.2 问题分析

　　裂纹原因分析侧重于CAE分析、断口分析、金相分析、材料成分分析等，从气缸盖结构、材料成分和组织等方面分析裂纹产生的潜在因素。

　　1) CAE分析

　　铝合金二次枝晶间距(SDAS)越小，力学性能越好[2]。分析铸造凝固顺序发现，隔板处于水道砂芯和油道砂芯中间，热量传递速度慢，铸造过程中铝液凝固时间长，导致二次枝晶间距(SDAS)较大，力学性能较差，如图2所示。

　　2) 断口分析

　　宏观断口表面较为粗糙，颜色较深，裂纹起裂点靠近水道面。微观断口分析在起裂点处未发现明显的疲劳辉纹，裂纹扩展区形貌以撕裂、解理为主，伴有少量二次裂纹，初步断定为脆性断裂。起裂点断口形貌如图3所示。

　　3) 硬度及显微组织分析

　　硬度及金相分析在产生裂纹的螺塞孔位置取样，对裂纹附近55个点进行硬度检测和金相分析。实际检测硬度值范围125～142HB，平均硬度值131HB。

　　试验数据显示，缸盖硬度超过了产品技术要求硬度值范围(90～130HB)，硬度偏高。金相分析显示二次枝晶间距(SDAS)平均值为49μm，Fe相较多，变质不充分，图4所示为裂纹附近取样的显微组织照片。

　　4) 化学成分分析