摘 要:某汽車(chē)雨刮臂在安裝時(shí)于臂座處發(fā)生開(kāi)裂.采用宏觀分析、化學(xué)成分及硬度分析、掃描 電鏡(SEM)分析和金相檢驗(yàn)等方法,對(duì)雨刮臂座開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:雨刮臂座存 在冷隔缺陷和裝配不當(dāng)共同導(dǎo)致了雨刮臂座在裝配時(shí)發(fā)生開(kāi)裂,其中冷隔缺陷是主要因素;雨刮臂 座中的冷隔缺陷是由于模具結(jié)構(gòu)不合理及冷模件控制不當(dāng)造成的. 

關(guān)鍵詞:雨刮臂;開(kāi)裂;冷隔;縮孔 

中圖分類(lèi)號(hào):TG２９２,TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８４６Ｇ０４

隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展,汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越 激烈;而產(chǎn)品的質(zhì)量在競(jìng)爭(zhēng)中起到非常重要的作用, 也決定著企業(yè)的發(fā)展前途.雨刮器作為汽車(chē)上的一 個(gè)安全件,其刮雨效果和可靠性將直接影響行車(chē)安 全.雨刮臂的質(zhì)量將直接影響雨刮器的性能[１Ｇ３].

某車(chē)型雨刮器的雨刮臂在裝配過(guò)程中,于雨刮 臂臂座位置處發(fā)生了開(kāi)裂.筆者通過(guò)宏觀分析、化 學(xué)成分及硬度分析、掃描電鏡(SEM)分析和金相檢 驗(yàn)等方法,對(duì)雨刮臂臂座的開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析,以 期類(lèi)似失效不再發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀分析 

失效雨刮臂的宏觀形貌如圖１a)所示,圖１b)和 圖１c)分別為臂座裝配面和臂座孔的裝配痕跡.由 圖１可見(jiàn),雨刮臂的斷裂發(fā)生在臂座中間區(qū)域,裝配 面上斷裂兩側(cè)的裝配壓痕明顯不同,左側(cè)的壓痕偏 大;臂座裝配孔左右兩側(cè)裝配痕跡也明顯不均勻. 雨刮臂安裝的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)要求為:雨刮臂 應(yīng)該被壓平后再安裝螺母.在模擬雨刮臂自然狀態(tài) 裝配(刮臂裝配面與電機(jī)軸不垂直)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)如 同該開(kāi)裂失效雨刮臂類(lèi)似的裝配痕跡.因此,可以 認(rèn)定裝配過(guò)程不符合規(guī)范要求,這種裝配方式會(huì)導(dǎo) 致雨刮臂臂座局部受力異常. 

１．２ 化學(xué)成分及硬度分析

采用 Bruker直讀光譜儀對(duì)雨刮臂的化學(xué)成分 進(jìn)行分 析,結(jié) 果 見(jiàn) 表 １.圖 紙 規(guī) 定 雨 刮 臂 材 料 為 ADC１２鋁合金,實(shí)際化學(xué)成分分析結(jié)果符合產(chǎn)品的 技術(shù)規(guī)范要求.采用 UH９３０型硬度計(jì)對(duì)失效雨刮 臂座進(jìn)行布氏硬度測(cè)定,結(jié)果為８８HB２．６/６２．５,符 合產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范要求.

１．３ 掃描電鏡(SEM)分析 

對(duì)雨刮臂座的開(kāi)裂斷口采用 VHXＧ２０００E 體視 顯微鏡 進(jìn) 行 低 倍 觀 察 ,斷 口 形 貌 如 圖２所 示 .可見(jiàn)左側(cè)斷面上有多處明顯的白亮色區(qū)域(圖２中虛線 框內(nèi))及較多的細(xì)微白點(diǎn),這些位置呈現(xiàn)出冶金熔合 不良的特征.在對(duì)應(yīng)的另一半斷口邊緣有明顯的類(lèi) 似夾皮的特征存在,這些夾皮具有明亮的金屬特征 同時(shí)與臂座基體有清晰的分界線,這應(yīng)該是表層金 屬冷卻過(guò)快導(dǎo)致的分層現(xiàn)象.

圖２中斷口的SEM 形貌如圖３所示,可見(jiàn)低倍 下呈現(xiàn)白亮色的區(qū)域有的存在大片狀的高溫熔融平 面,無(wú)冶金結(jié)合特征,如圖３a)所示;有的為近自由 態(tài)特征,有較多的球面形態(tài),如圖３b)所示,這些球面形貌無(wú)明顯冶金結(jié)合特征,該區(qū)域呈弱連接狀態(tài). 正常的鋁合金過(guò)載斷口應(yīng)該為準(zhǔn)解理,熔融平面缺 陷的存在會(huì)明顯降低臂座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度. 

１．４ 金相檢驗(yàn) 

沿著失 效 雨 刮 臂 座 水 平 切 開(kāi) 后,剖 面 形 貌 如 圖４a)所示,圖４b)為斷口兩側(cè)的顯微組織形貌對(duì) 比.由圖４a)可知,臂座剖面的局部位置有明顯較 大的縮松缺陷,孔隙率為９．０９％(體積分?jǐn)?shù)),最大 單孔直徑為３．２mm,不符合圖紙的規(guī)定(測(cè)量依據(jù) SMTC５２０００３０－２０１３«金屬鑄件孔隙度»),但這 些缺陷位置遠(yuǎn)離斷裂區(qū)域,并不是導(dǎo)致臂座開(kāi)裂的 原因.由圖４b)可知,整個(gè)斷口兩側(cè)的顯微組織有 明顯差異,其中１區(qū)顯微組織為白色塊狀α相＋細(xì) 小致密的共晶硅＋少量初生硅,２區(qū)和３區(qū)的顯微 組織均為白色大塊狀α相＋棒狀的共晶硅(分布松 散)＋少量初生硅,１區(qū)和２區(qū)之間有一條清晰的冷 隔線,開(kāi)裂正好發(fā)生在冷隔線所在的位置. 

２ 分析與討論 

２．１ 雨刮臂座開(kāi)裂原因分析 

從化學(xué)成分、硬度的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,失效雨刮臂材料的化學(xué) 成 分 和 硬 度 都 符 合 產(chǎn) 品 技 術(shù) 規(guī) 范,說(shuō) 明這些因素與本次失效無(wú)關(guān).通過(guò)對(duì)失效雨刮臂 的金相和 SEM 分析可知,失效雨刮臂座上存在明 顯的冷隔缺 陷 和 縮 松 缺 陷,但 縮 松 缺 陷 遠(yuǎn) 離 斷 裂 部位,與失 效 關(guān) 系 不 大.鋁 液 澆 鑄 冷 卻 過(guò) 程 中 在 臂座孔的匯 流 區(qū) 域 同 時(shí) 形 成 了 冷 隔 缺 陷,冷 隔 線 兩側(cè)組織明 顯 不 同,說(shuō) 明 鋁 液 匯 流 后 由 于 溫 度 偏 低、流動(dòng)性差等因素沒(méi)有完全熔融,形成了鑄造冷 隔[４],在斷口 上 表 現(xiàn) 為 大 片 狀 的 熔 融 區(qū) 域 和 較 多 的球狀自由面,這些位置都沒(méi)有明顯的冶金熔合, 這會(huì)明顯地 削 弱 該 區(qū) 域 的 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度,在 刮 臂 未 壓 平的狀態(tài)下 進(jìn) 行 裝 配 時(shí),臂 座 受 力 不 均 從 而 在 擰 緊過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂. 

２．２ 缺陷形成原因及模流分析 

為進(jìn)一步分析冷隔缺陷和縮松缺陷形成的原 因,對(duì)雨刮臂模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.圖５為失效雨 刮臂鑄造過(guò)程中溫度變化的模流分析圖,可以看出 雨刮臂的澆鑄是從刮臂桿部開(kāi)始,開(kāi)裂臂座區(qū)域已 經(jīng)接近最后的澆鑄區(qū),在填充過(guò)程中始終溫度較低, 這會(huì)降低鋁液的流動(dòng)性,同時(shí)由于臂座孔的存在,填 充鋁液有個(gè)匯流的過(guò)程,較差的流動(dòng)性可能導(dǎo)致匯 流區(qū)域兩股鋁液無(wú)法完全熔融,從而形成冷隔缺陷.

由于鑄造縮松和冷隔也有可能發(fā)生在冷模階 段,因此對(duì)冷模件后的零件進(jìn)行了金相剖切檢驗(yàn). 目前雨刮臂冷模件的控制數(shù)量為８件,分別對(duì)１０組 冷模件后的第９~１５件進(jìn)行類(lèi)似剖切檢查,在第９~ １４件上發(fā)現(xiàn)了４件雨刮臂存在明顯鑄造縮松缺陷, 第１５件上均未發(fā)現(xiàn)明顯縮松和冷隔缺陷.

３ 結(jié)論及建議 

雨刮臂座存在冷隔缺陷和裝配不當(dāng)共同導(dǎo)致雨 刮臂座裝配時(shí)發(fā)生開(kāi)裂,其中冷隔缺陷是主要因素, 該冷隔缺陷是由于模具結(jié)構(gòu)不合理及冷模件控制不 當(dāng)造成的.

建議優(yōu)化雨刮臂鑄造模具結(jié)構(gòu),在臂座末端增 加排氣道及排氣板,同時(shí)在缺陷部位增加１條澆道 以增強(qiáng)補(bǔ)縮和提高末端澆鑄溫度,如圖７所示;增加 冷模件的控制數(shù)量,從８件增加到１５件;裝配現(xiàn)場(chǎng) 嚴(yán)格按照雨刮臂安裝的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)的要 求進(jìn)行操作. 

參考文獻(xiàn): 

[１] 劉志瑩,李云峰．雨刮臂座斷裂失效分析[J]．中國(guó)鑄 造裝備與技術(shù),２０１０(５):４６Ｇ４８． 

[２] 蔣良春．J１３車(chē)型前雨刮器刮刷失效分析及整改措施 [J]．企業(yè)科技與發(fā)展,２０１４(６):５０Ｇ５１． 

[３] 董婷,龔應(yīng)時(shí)．汽 車(chē) 雨 刮 器 刮 桿 接 頭 斷 裂 失 效 分 析 [J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１１,４７(１２):７９０Ｇ７９２． 

[４] 張濤,陳志軍,王文豪,等．某超臨界電站鍋爐送風(fēng)機(jī) 葉片 的 斷 裂 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)), ２０１６,５２(７):４７９Ｇ４８３．

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