摘 要:某變速箱 A３８０鋁合金懸置支架在整車生產(chǎn)線的螺栓安裝時發(fā)生了開裂失效.通過宏 觀檢查、化學成分分析、金相檢驗、斷口分析、硬度和密度測試等對懸置支架開裂失效原因進行了分 析;在不同工藝條件下進行了模擬,確定了造成開裂的工藝條件.結(jié)果表明:懸置支架在鑄造過程中, 由于脫模劑混入其內(nèi)部形成大量鋁的氧化物,該氧化物造成材料強度降低是引起懸置支架發(fā)生開裂 的主要原因.該氧化物是在冷模狀態(tài)下大量的脫模劑與快速壓鑄的鋁液反應(yīng)形成的鑄造缺陷. 

關(guān)鍵詞:懸置支架;脫模劑;氧化物;鑄造缺陷 

中圖分類號:U４６５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７９５Ｇ０５

汽車變速箱懸置由支架和襯套組合而成,用來 固定變速箱,同時起到隔振的作用,阻止變速箱的振 動傳遞給車身,提高車輛乘坐的舒適性.如果變速 箱懸置出現(xiàn)故障,將對車輛動力及安全性產(chǎn)生影響, 因此變速箱懸置極其重要.變速箱懸置支架材料主 要有鋼和鋁合金兩種.目前,為了減少汽車自重,實 現(xiàn)節(jié)能減 排,鋁 合 金 成 為 變 速 箱 懸 置 支 架 的 主 流 用材. 

. 對于鋁合金懸置支架而言,如果工藝設(shè)計過程 控制不當或者模具設(shè)計不良,將產(chǎn)生一些鑄造缺陷, 如冷隔、氣孔、疏松、裂紋或夾雜等[１].這些缺陷會 降低材料的力學性能,進而可導致懸置支架開裂或 斷裂失效.某變速箱 A３８０鋁合金懸置支架在整車 生產(chǎn)線螺栓安裝中出現(xiàn)了開裂,為查明該懸置支架 開裂的原因,筆者對其進行了檢驗和分析.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

該變速箱懸置支架在整車生產(chǎn)線螺栓安裝中的 受拉一側(cè)出現(xiàn)了開裂,如圖１所示.懸置支架外觀 無明顯的磕碰痕跡或其他損傷,螺栓裝配痕跡未見 異常.根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)人員反饋,新的懸置支架更換 安裝成功,表明匹配件(車架)的尺寸無異常.

１．２ 化學成分分析 

采用BrukerQ４型直讀光譜儀對開裂的變速箱懸置支架和同批次懸置支架所用鋁合金進行化學成 分分析,結(jié)果如表１所示.可見失效件和同批次零 件所用鋁合金均符合 ASTM B８５－２００３Standard SpecificationforAluminumＧAlloyDieCastings標 準的要求. 

１．３ 金相檢驗 

在開裂的懸置支架上截取帶裂紋的試樣,同時在同批次懸置支架相同部位截取試樣,分別經(jīng)粗磨、 精磨、拋光后,采用 DM６０００ 型金相顯微鏡觀察組 織形貌,結(jié)果如圖２和圖３所示.可見開裂的懸置 支架試樣組織顏色深淺分布不均勻,顏色較深的區(qū) 域較粗糙.同批次懸置支架試樣組織顏色深淺分布 較均勻,組織結(jié)構(gòu)更致密.采用上述金相顯微鏡測 得開裂的懸置支架試樣組織的孔隙率為１．０５％,最 大孔隙為０．６６mm,同批次懸置支架相同部位組織 的孔隙率為０．０２％,最大孔隙為６７μm,均符合產(chǎn)品 的技術(shù)要求(孔隙率不大于 ５％;最大孔隙不大于 １mm).

圖４是懸置支架開裂處局部的顯微組織形貌, 可見區(qū)域１和區(qū)域２顏色較深且晶粒尺寸較小,區(qū) 域３和區(qū)域４晶粒尺寸相對較大.

１．４ 斷口分析 

通過敲擊使懸置支架開裂的部位完全斷開,可 見 整個斷面邊緣尖銳,見圖５a).斷面的最初斷裂區(qū)與敲斷區(qū)的組織形貌特別是顏色無明顯的差異, 由此可以排除因高溫或脫模造成開裂的可能性,因 為高溫或脫模開裂后,斷面的顏色會出現(xiàn)變化,且由 于噴丸的作用,斷口邊緣會發(fā)生變形從而更圓潤. 局部放大后觀察到斷面顏色深淺分布不均勻,灰色 斷面上分布著異常的黑色斑點,且斷面無噴丸引起 的變形特征,見圖５b).對該懸置支架的其他無裂 紋區(qū)域進行人為掰斷,制造過載斷口,發(fā)現(xiàn)該斷口顏 色與開裂處的斷口完全一致,如圖６所示. 

從開裂的懸 置 支 架 斷 口 取 樣,用 EVO MA２５ 型掃描電鏡(SEM)進行微觀形貌分析,結(jié)果如圖７ 所示.可見 除 局 部 區(qū) 域 存 在 鑄 造 疏 松 缺 陷 之 外, 該斷口微觀 形 貌 呈 現(xiàn) 兩 種 特 征,其 中 灰 色 區(qū) 域 為 準解理＋韌窩,無高溫開裂熔融結(jié)晶的形貌特征, 是正常的過 載 斷 口 形 貌;黑 色 區(qū) 域 有 細 小 的 粉 末 粘附在斷口 表 面,這 和 正 常 的 過 載 斷 口 形 貌 明 顯不同.

采用上述掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對異常 和正常區(qū)域材料進行能譜分析,結(jié)果分別如圖８和 圖９所示.可見懸置支架斷口的異常區(qū)域含有大量 的鋁元素和一定量的氧元素,而正常區(qū)域未檢測到 氧元素,由此可見異常區(qū)域有鋁的氧化物.

１．５ 硬度和密度測試 

分別從開裂懸置支架的開裂處以及同批次懸置 支 架 的 相 同 部 位 取 樣,采 用 INNOVATEST NEMESIS９０００型布氏硬度計進行材料的布氏硬 度檢測,在相同部位測試３次,得到開裂懸置支架的 硬度分別為７８．７,７７．３,７７．６ HB５/２５０,均低于圖紙 的技術(shù)要求(不小于８０HB),且明顯低于同批次懸 置支架的硬度(９３．３,９１．５,９１．６HB５/２５０).采用排 水法,使用 SARTORIUSCPA２２４S型天平對上述 試樣進 行 密 度 測 試,發(fā) 現(xiàn) 開 裂 懸 置 支 架 的 密 度 (２．６８g??cm－３)也 略 低 于 同 批 次 懸 置 支 架 的 密 度 (２．７５g??cm－３). 

１．６ 不同工藝條件下的模擬 

在鑄造過程中,需要在模具表面噴脫模劑,并 將多余 的 脫 模 劑 吹 除 干 凈. 模 具 達 到 一 定 溫 度 后,其表面脫模劑中的水分迅速汽化揮發(fā),最后在 模具表面形 成 一 層 薄 膜,使 金 屬 制 品 和 模 具 易 分 離,起到保護 模 具 和 鑄 件 的 作 用[２].但 在 特 殊 情 況下,脫膜劑未完全揮發(fā),導致壓鑄后脫模劑進入 鑄件內(nèi)部形成鑄造缺陷(鋁的氧化物).在該開裂 懸置支架中,如果其內(nèi)部的氧化物是來自鋁液,那么該氧化物 在 同 批 懸 置 支 架 中 也 存 在,但 同 批 次 懸置支架人 為 斷 口 均 正 常,與 開 裂 懸 置 支 架 的 斷 口存在明顯 的 不 同,因 此 鋁 的 氧 化 物 應(yīng) 該 是 在 鑄 造成型過程 中 混 入 的,結(jié) 合 鑄 造 工 藝 推 測 是 由 脫 模劑混入 造 成 的.為 了 研 究 氧 化 物 的 形 成 條 件, 在不同工藝 條 件 下 進 行 了 模 擬,結(jié) 果 如 表 ２ 和 圖 １０所示. 

１．６ 不同工藝條件下的模擬 

在鑄造過程中,需要在模具表面噴脫模劑,并 將多余 的 脫 模 劑 吹 除 干 凈. 模 具 達 到 一 定 溫 度 后,其表面脫模劑中的水分迅速汽化揮發(fā),最后在 模具表面形 成 一 層 薄 膜,使 金 屬 制 品 和 模 具 易 分 離,起到保護 模 具 和 鑄 件 的 作 用[２].但 在 特 殊 情 況下,脫膜劑未完全揮發(fā),導致壓鑄后脫模劑進入 鑄件內(nèi)部形成鑄造缺陷(鋁的氧化物).在該開裂 懸置支架中,如果其內(nèi)部的氧化物是來自鋁液,那由該模擬結(jié)果可知: 

(１)在冷模狀態(tài)下,噴過量脫模劑使模具型腔 含有較多的水,在慢速壓鑄的情況下,懸置支架斷口 呈現(xiàn)正常的灰色,同時會出現(xiàn)數(shù)量較多的大氣孔;在 快速壓鑄的情況下,大氣孔數(shù)量明顯減少或消失,同 時斷口呈現(xiàn)出灰色與深色相間的狀態(tài),與失效件的 斷口狀態(tài)一致.這是由于在快速壓鑄條件下,鋁液 與脫模劑中的水均勻混合快速反應(yīng),在材料內(nèi)部形 成大量彌散性分布的鋁的氧化物. 

(２)在熱模狀態(tài)下,噴過量脫模劑后斷口呈正 常的灰色,這是由于熱模狀態(tài)下脫模劑中水分容易 揮發(fā),不會與充型的鋁液相互作用形成大量的氧化 物或鑄造孔隙. 綜上所述,可以得出異常斷口處氧化物的形成 所需的３個條件為模具處于冷模狀態(tài)、噴大量的脫 模劑以及快速壓鑄.

２ 分析與討論 

開裂懸置支架斷口的宏觀形貌表明,開裂不是在 鑄造高溫或脫模中形成的,這是因為如果是在鑄造中 產(chǎn)生的熱裂紋,開裂時有一定的溫度,斷口的顏色會 發(fā)生變化,斷口處會形成熔融結(jié)晶的形貌,而該失效 件斷口無此特征;如果是在脫模中產(chǎn)生的裂紋,由于 該懸置支架后期需要經(jīng)過噴丸處理＋機加工,在斷口 的邊緣會發(fā)生變形,會更圓滑,且斷口的顏色也會發(fā) 生變化,而該失效件斷口也無此特征.此外,開裂處 位于螺栓安裝時懸置支架受拉一側(cè),這與裝配時螺栓 擰緊過程中懸置支架受到拉應(yīng)力的部位吻合,由此得 知懸置支架的開裂是由現(xiàn)場裝配受力所造成的.

現(xiàn)場重新更換新的懸置支架后安裝成功,且該批懸置支架中僅出現(xiàn)這一件發(fā)生開裂,說明開裂并 不是因匹配尺寸異常造成裝配應(yīng)力過大而導致.斷 口的能譜分析結(jié)果顯示斷口中黑色的區(qū)域含有鋁的 氧化物.金相檢驗可觀察到部分區(qū)域顏色較深,表 面較粗糙,推測這與該氧化物剝落或氧化物聚集區(qū) 域形成的顯微疏松結(jié)構(gòu)有關(guān),鋁的氧化物類似夾雜 物存在于基體表面,與基體的結(jié)合弱,極易分離,形 成的顯微疏松結(jié)構(gòu)導致材料的強度顯著降低.由硬 度測試結(jié)果可知,開裂懸置支架的硬度比同批次懸 置支架的硬度和標準值都要低,這進一步表明材料 內(nèi)部大量鋁的氧化物降低了材料強度.從上述理化 檢驗結(jié)果及分析可知,懸置支架中存在大量鋁的氧 化物造成材料強度降低是引起懸置支架發(fā)生開裂的 主要原因. 

３ 結(jié)論及建議 

(１)變速箱懸置支架在鑄造過程中,由于脫模 劑混入其內(nèi)部形成大量鋁的氧化物,該氧化物造成 材料強度降低是引起懸置支架發(fā)生開裂的主要原 因.該氧化物是在冷模狀態(tài)下大量的脫模劑與快速 壓鑄的鋁液反應(yīng)形成的鑄造缺陷. 

(２)建議供應(yīng)商加強冷模件的控制與管理,比 如對不符合要求的零件進行報廢處理并做好報廢記 錄,以確保產(chǎn)品的質(zhì)量.

參考文獻: 

[１] 陶春虎,劉高遠,恩云飛．軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手 冊[M]．北京:國防工業(yè)出版社,２００９:１３１Ｇ１６７． 

[２] 徐遵英,蔡瑞林．有色金屬高溫脫模劑的研制與應(yīng)用 [J]．安徽化工,１９９７,２３(２):３０Ｇ３７． 

<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 11期 (pp:795-799)>