分享：变速箱悬置支架开裂失效分析
摘 要:某变速箱 A３８０铝合金悬置支架在整车生产线的螺栓安装时发生了开裂失效.通过宏 观检查、化学成分分析、金相检验、断口分析、硬度和密度测试等对悬置支架开裂失效原因进行了分 析;在不同工艺条件下进行了模拟,确定了造成开裂的工艺条件.结果表明:悬置支架在铸造过程中, 由于脱模剂混入其内部形成大量铝的氧化物,该氧化物造成材料强度降低是引起悬置支架发生开裂 的主要原因.该氧化物是在冷模状态下大量的脱模剂与快速压铸的铝液反应形成的铸造缺陷.
关键词:悬置支架;脱模剂;氧化物;铸造缺陷
中图分类号:U４６５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７９５Ｇ０５
汽车变速箱悬置由支架和衬套组合而成,用来 固定变速箱,同时起到隔振的作用,阻止变速箱的振 动传递给车身,提高车辆乘坐的舒适性.如果变速 箱悬置出现故障,将对车辆动力及安全性产生影响, 因此变速箱悬置极其重要.变速箱悬置支架材料主 要有钢和铝合金两种.目前,为了减少汽车自重,实 现节能减 排,铝 合 金 成 为 变 速 箱 悬 置 支 架 的 主 流 用材.
. 对于铝合金悬置支架而言,如果工艺设计过程 控制不当或者模具设计不良,将产生一些铸造缺陷, 如冷隔、气孔、疏松、裂纹或夹杂等[１].这些缺陷会 降低材料的力学性能,进而可导致悬置支架开裂或 断裂失效.某变速箱 A３８０铝合金悬置支架在整车 生产线螺栓安装中出现了开裂,为查明该悬置支架 开裂的原因,笔者对其进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
该变速箱悬置支架在整车生产线螺栓安装中的 受拉一侧出现了开裂,如图１所示.悬置支架外观 无明显的磕碰痕迹或其他损伤,螺栓装配痕迹未见 异常.根据现场生产人员反馈,新的悬置支架更换 安装成功,表明匹配件(车架)的尺寸无异常.
１．２ 化学成分分析
采用BrukerQ４型直读光谱仪对开裂的变速箱悬置支架和同批次悬置支架所用铝合金进行化学成 分分析,结果如表１所示.可见失效件和同批次零 件所用铝合金均符合 ASTM B８５－２００３Standard SpecificationforAluminumＧAlloyDieCastings标 准的要求.
１．３ 金相检验
在开裂的悬置支架上截取带裂纹的试样,同时在同批次悬置支架相同部位截取试样,分别经粗磨、 精磨、抛光后,采用 DM６０００ 型金相显微镜观察组 织形貌,结果如图２和图３所示.可见开裂的悬置 支架试样组织颜色深浅分布不均匀,颜色较深的区 域较粗糙.同批次悬置支架试样组织颜色深浅分布 较均匀,组织结构更致密.采用上述金相显微镜测 得开裂的悬置支架试样组织的孔隙率为１．０５％,最 大孔隙为０．６６mm,同批次悬置支架相同部位组织 的孔隙率为０．０２％,最大孔隙为６７μm,均符合产品 的技术要求(孔隙率不大于 ５％;最大孔隙不大于 １mm).
图４是悬置支架开裂处局部的显微组织形貌, 可见区域１和区域２颜色较深且晶粒尺寸较小,区 域３和区域４晶粒尺寸相对较大.
１．４ 断口分析
通过敲击使悬置支架开裂的部位完全断开,可 见 整个断面边缘尖锐,见图５a).断面的最初断裂区与敲断区的组织形貌特别是颜色无明显的差异, 由此可以排除因高温或脱模造成开裂的可能性,因 为高温或脱�？押�,断面的颜色会出现变化,且由 于喷丸的作用,断口边缘会发生变形从而更圆润. 局部放大后观察到断面颜色深浅分布不均匀,灰色 断面上分布着异常的黑色斑点,且断面无喷丸引起 的变形特征,见图５b).对该悬置支架的其他无裂 纹区域进行人为掰断,制造过载断口,发现该断口颜 色与开裂处的断口完全一致,如图６所示.
从开裂的悬 置 支 架 断 口 取 样,用 EVO MA２５ 型扫描电镜(SEM)进行微观形貌分析,结果如图７ 所示.可见 除 局 部 区 域 存 在 铸 造 疏 松 缺 陷 之 外, 该断口微观 形 貌 呈 现 两 种 特 征,其 中 灰 色 区 域 为 准解理＋韧窝,无高温开裂熔融结晶的形貌特征, 是正常的过 载 断 口 形 貌;黑 色 区 域 有 细 小 的 粉 末 粘附在断口 表 面,这 和 正 常 的 过 载 断 口 形 貌 明 显不同.
采用上述扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对异常 和正常区域材料进行能谱分析,结果分别如图８和 图９所示.可见悬置支架断口的异常区域含有大量 的铝元素和一定量的氧元素,而正常区域未检测到 氧元素,由此可见异常区域有铝的氧化物.
１．５ 硬度和密度测试
分别从开裂悬置支架的开裂处以及同批次悬置 支 架 的 相 同 部 位 取 样,采 用 INNOVATEST NEMESIS９０００型布氏硬度计进行材料的布氏硬 度检测,在相同部位测试３次,得到开裂悬置支架的 硬度分别为７８．７,７７．３,７７．６ HB５/２５０,均低于图纸 的技术要求(不小于８０HB),且明显低于同批次悬 置支架的硬度(９３．３,９１．５,９１．６HB５/２５０).采用排 水法,使用 SARTORIUSCPA２２４S型天平对上述 试样进 行 密 度 测 试,发 现 开 裂 悬 置 支 架 的 密 度 (２．６８g??cm－３)也 略 低 于 同 批 次 悬 置 支 架 的 密 度 (２．７５g??cm－３).
１．６ 不同工艺条件下的模拟
在铸造过程中,需要在模具表面喷脱模剂,并 将多余 的 脱 模 剂 吹 除 干 净. 模 具 达 到 一 定 温 度 后,其表面脱模剂中的水分迅速汽化挥发,最后在 模具表面形 成 一 层 薄 膜,使 金 属 制 品 和 模 具 易 分 离,起到保护 模 具 和 铸 件 的 作 用[２].但 在 特 殊 情 况下,脱膜剂未完全挥发,导致压铸后脱模剂进入 铸件内部形成铸造缺陷(铝的氧化物).在该开裂 悬置支架中,如果其内部的氧化物是来自铝液,那么该氧化物 在 同 批 悬 置 支 架 中 也 存 在,但 同 批 次 悬置支架人 为 断 口 均 正 常,与 开 裂 悬 置 支 架 的 断 口存在明显 的 不 同,因 此 铝 的 氧 化 物 应 该 是 在 铸 造成型过程 中 混 入 的,结 合 铸 造 工 艺 推 测 是 由 脱 模剂混入 造 成 的.为 了 研 究 氧 化 物 的 形 成 条 件, 在不同工艺 条 件 下 进 行 了 模 拟,结 果 如 表 ２ 和 图 １０所示.
１．６ 不同工艺条件下的模拟
在铸造过程中,需要在模具表面喷脱模剂,并 将多余 的 脱 模 剂 吹 除 干 净. 模 具 达 到 一 定 温 度 后,其表面脱模剂中的水分迅速汽化挥发,最后在 模具表面形 成 一 层 薄 膜,使 金 属 制 品 和 模 具 易 分 离,起到保护 模 具 和 铸 件 的 作 用[２].但 在 特 殊 情 况下,脱膜剂未完全挥发,导致压铸后脱模剂进入 铸件内部形成铸造缺陷(铝的氧化物).在该开裂 悬置支架中,如果其内部的氧化物是来自铝液,那由该模拟结果可知:
(１)在冷模状态下,喷过量脱模剂使模具型腔 含有较多的水,在慢速压铸的情况下,悬置支架断口 呈现正常的灰色,同时会出现数量较多的大气孔;在 快速压铸的情况下,大气孔数量明显减少或消失,同 时断口呈现出灰色与深色相间的状态,与失效件的 断口状态一致.这是由于在快速压铸条件下,铝液 与脱模剂中的水均匀混合快速反应,在材料内部形 成大量弥散性分布的铝的氧化物.
(２)在热模状态下,喷过量脱模剂后断口呈正 常的灰色,这是由于热模状态下脱模剂中水分容易 挥发,不会与充型的铝液相互作用形成大量的氧化 物或铸造孔隙. 综上所述,可以得出异常断口处氧化物的形成 所需的３个条件为模具处于冷模状态、喷大量的脱 模剂以及快速压铸.
２ 分析与讨论
开裂悬置支架断口的宏观形貌表明,开裂不是在 铸造高温或脱模中形成的,这是因为如果是在铸造中 产生的热裂纹,开裂时有一定的温度,断口的颜色会 发生变化,断口处会形成熔融结晶的形貌,而该失效 件断口无此特征;如果是在脱模中产生的裂纹,由于 该悬置支架后期需要经过喷丸处理＋机加工,在断口 的边缘会发生变形,会更圆滑,且断口的颜色也会发 生变化,而该失效件断口也无此特征.此外,开裂处 位于螺栓安装时悬置支架受拉一侧,这与装配时螺栓 拧紧过程中悬置支架受到拉应力的部位吻合,由此得 知悬置支架的开裂是由现场装配受力所造成的.
现场重新更换新的悬置支架后安装成功,且该批悬置支架中仅出现这一件发生开裂,说明开裂并 不是因匹配尺寸异常造成装配应力过大而导致.断 口的能谱分析结果显示断口中黑色的区域含有铝的 氧化物.金相检验可观察到部分区域颜色较深,表 面较粗糙,推测这与该氧化物剥落或氧化物聚集区 域形成的显微疏松结构有关,铝的氧化物类似夹杂 物存在于基体表面,与基体的结合弱,极易分离,形 成的显微疏松结构导致材料的强度显著降低.由硬 度测试结果可知,开裂悬置支架的硬度比同批次悬 置支架的硬度和标准值都要低,这进一步表明材料 内部大量铝的氧化物降低了材料强度.从上述理化 检验结果及分析可知,悬置支架中存在大量铝的氧 化物造成材料强度降低是引起悬置支架发生开裂的 主要原因.
３ 结论及建议
(１)变速箱悬置支架在铸造过程中,由于脱模 剂混入其内部形成大量铝的氧化物,该氧化物造成 材料强度降低是引起悬置支架发生开裂的主要原 因.该氧化物是在冷模状态下大量的脱模剂与快速 压铸的铝液反应形成的铸造缺陷.
(２)建议供应商加强冷模件的控制与管理,比 如对不符合要求的零件进行报废处理并做好报废记 录,以确保产品的质量.
参考文献:
[１] 陶春虎,刘高远,恩云飞．军工产品失效分析技术手 册[M]．北京:国防工业出版社,２００９:１３１Ｇ１６７．
[２] 徐遵英,蔡瑞林．有色金属高温脱模剂的研制与应用 [J]．安徽化工,１９９７,２３(２):３０Ｇ３７．
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