齒輪殼安裝定位柱斷裂失效分析

蔡玉冬

(博世(中國)投資有限公司亞太檢測中心,上海200335)

齒輪殼安裝定位柱斷裂失效分析

蔡玉冬

(博世(中國)投資有限公司亞太檢測中心,上海200335)

某鋁合金齒輪殼安裝定位柱在裝配前及裝配期間均發生斷裂。通過化學成分分析、斷口宏觀檢驗、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗的方法,對安裝定位柱的斷裂原因進行了綜合檢驗分析。結果表明:齒輪殼鑄造工藝不當,造成鑄件內存在大量氣孔、縮孔和冷豆等鑄造缺陷,是導致該批齒輪殼安裝定位柱發生脆性斷裂的主要原因。最后對齒輪殼的鑄造工藝提出了改進建議。

齒輪殼;鑄造鋁合金;斷裂;氣孔;縮孔;冷豆;鑄造缺陷

圖1 齒輪殼的宏觀形貌及斷裂位置Fig.1 Macro morphology of the gear housing and the fractured location

隨著汽車工業的飛速發展,為了減輕車重、提高行駛速度和節約能源,鋁合金材料成為促進汽車輕量化的最好選擇。鋁硅系鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能,如流動性好、收縮率小、氣密性好和熱裂傾向小等,而且抗腐蝕性能也很好。鋁硅系鑄造鋁合金經過變質或熱處理后,還具有良好的力學性能、物理性能和切削加工性能,在汽車行業被廣泛應用為結構件,如殼體、缸體、箱體和框架等。

某齒輪產品的外殼在裝配前及裝配期間,外殼上的安裝定位柱未經任何受力,即發生數起斷裂事故,齒輪殼宏觀形貌及安裝定位柱斷裂位置如圖1所示。該齒輪殼材料為AlSi12Cu1(Fe)鋁合金,是一種德國牌號的鑄造鋁硅合金,類似我國鋁合金牌號ZL102。合金中的硅含量(質量分數,下同)為10.5%～13.5%,屬于共晶型鋁合金,由于硅含量高,合金熔體的流動性增加,合金的強度和耐磨性也有所提高。合金中的銅含量為0.7%～1.2%,銅能與合金中的鋁形成可熱處理強化相θ相(Al2Cu),提高合金的強度[1]。此合金特別適合鑄造壁薄、面積大、形狀復雜的零件。

該齒輪殼采用壓鑄工藝成型,生產工藝流程如下:熔煉→壓鑄→表面拋丸→機械加工→清洗。為了查明該齒輪殼安裝定位柱的斷裂原因,筆者對其進行了化學成分分析、斷口宏觀檢驗、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

在齒輪殼上取樣,使用直讀光譜儀進行化學成分分析,分析結果見表1,可見實測值符合DIN EN 1706:2013中對AlSi12Cu1(Fe)鋁合金化學成分的技術要求,其他雜質元素含量也未超標。

表1 齒輪殼材料的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of material of the gear housing（mass） %

1.2 斷口宏觀檢驗

采用體視顯微鏡觀察齒輪殼安裝定位柱斷口的宏觀形貌(圖2),可見斷口呈灰色,沒有變形,沒有發現明顯的裂紋起始源,也沒有觀察到裂紋擴展、停止線,應為一次性脆性斷裂。斷面與定位柱軸向成一定的傾斜角,斷口一端(A區域)為臺階過渡角,另外一端(B區域)有磨損痕跡。在斷口表面發現氣孔、縮孔和冷豆等鑄造缺陷,且幾乎遍布整個斷面。圖3為斷口局部放大形貌,也可發現一些微裂紋,這些微裂紋可能是冷豆與金屬基體未完全熔合形成的裂縫,或者是以冷豆、縮孔等缺陷為裂紋源而產生的二次裂紋。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture surface

圖3 斷口局部放大形貌Fig.3 Local magnified morphology of the fracture surface

1.3 掃描電鏡分析

圖4為斷面邊緣區域的掃描電鏡(SEM)形貌,可觀察到大量的氣孔、縮孔和冷豆缺陷。圖5為斷面上疏松缺陷形貌。在斷面中間疏松孔和冷豆附近,還有斷面邊緣都能觀察到韌窩形貌,見圖6～7。

圖4 斷面局部區域的掃描電鏡形貌Fig.4 Local SEM morphology of the fracture surface

圖5 斷口疏松形貌Fig.5 Porosity morphology of the fracture surface

1.4 能譜分析

分別對斷口中的冷豆和金屬基體進行能譜(EDS)分析,結果見表2。結果表明兩者成分相似,進一步驗證這種圓形熔珠為冷豆而不是夾雜物或夾渣等。能譜和光譜的成分分析結果也基本一致。

圖6 斷面中間韌窩形貌Fig.6 Dimple morphology of the middle zone of the fracture surface

圖7 斷面邊緣韌窩形貌Fig.7 Dimple morphology of the edge zone of the fracture surface

表2 冷豆和金屬基體的能譜分析結果(質量分數)Tab.2 EDS analysis results of the cold shot and the base metal（mass） %

1.5 金相檢驗

在齒輪殼定位柱斷口附近取一橫截面金相試樣,圖8為試樣拋光態局部形貌。和斷面觀察結果相同,在整個橫截面上也發現有大量密集的氣孔、縮孔和冷豆等缺陷,在靠近邊緣區域尤為嚴重,其中可觀察到大的冷豆直徑達482μm。將試樣在0.5% (質量分數)氫氟酸水溶液中進行侵蝕,冷豆缺陷的顯微組織形貌如圖9所示,可觀察到一些冷豆部分邊緣和金屬基體相熔合,部分未熔合區域與金屬基體間存在裂縫,一些冷豆則被金屬基體完全包裹在中間。顯微組織觀察結果說明冷豆的α枝晶明顯細小,和金屬基體有明顯的差別。

2 分析與討論

圖8 斷口附近橫截面拋光態形貌Fig.8 Local polished morphology of the cross section near the fracture surface：（a）defects of gas holes，shrinkage holes and cold shots；（b）a big cold shot

圖9 冷豆和金屬基體的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of cold shots and the base metal：（a）cold shot partially fused with the base metal；（b）cold shot embedded in the base metal

由化學成分分析結果可知,發生斷裂的齒輪殼的化學成分符合標準對該材料的技術要求。

通過斷口形貌觀察及斷口附近橫截面試樣的金相檢驗均發現,鑄件中存在氣孔、縮孔、冷豆、疏松等鑄造缺陷,在靠近邊緣區域缺陷尤為密集,由此可認為此齒輪殼安裝定位柱整體存在嚴重的鑄造缺陷。設計中此定位柱并不承載受力,但鑄造缺陷的存在,大大減小了定位柱的有效承載面積,降低了承載強度。在裝配前的包裝、搬運及裝配過程中都有可能受到輕微碰撞,一旦產生裂紋,便會迅速擴展,導致徹底斷裂。

掃描電鏡分析、能譜分析和金相檢驗結果都進一步驗證,這種和金屬基體成分相似的圓形熔珠為冷豆,它是壓鑄件的主要缺陷之一。冷豆表面光滑且隔離金屬基體,其成因是壓鑄過程中由于壓射速率太高而模具溫度太低,當金屬流撞擊型壁的瞬間產生飛濺,飛濺引起的熔珠迅速凝固后隨金屬液注入型腔。之后金屬沖上,包裹著這些小熔珠凝固成形,即為在斷面上所看到的冷豆[2]。一些冷豆部分與金屬基體熔合,一些冷豆則完全鑲嵌在金屬基體中,并保留清晰界面和細小縫隙。冷豆在金屬基體內部會造成局部應力不均勻,受力時會成為裂紋源[3]。特定條件下,冷豆和鑄件基體之間的界面也會導致麻點腐蝕或成為疲勞裂紋的起源點。

金相檢驗結果顯示,冷豆組織含有較多細小的枝晶狀α相,這是由于鋁硅合金的共晶共生區明顯偏向硅一側,過冷的共晶液體在快冷條件下進入共晶共生區下方的α單相區形核,并在共晶液體中自由生長成枝晶狀,這也說明在冷速較高時,易出現非平衡枝晶狀α相[4]。而金屬基體組織主要由初晶硅、共晶硅、β相(Al9Fe2Si2)和θ相(Al2Cu)等組織組成,與冷豆的組織有明顯差別,顯示出兩種組織不同的冷卻速率。

氣孔產生于鑄件內部、表面或近表面,呈大小不等的圓形,內孔光滑,或以蜂窩狀存在的細小針孔。該齒輪殼組織中的氣孔比較密集、細小,應為析出性氣孔,主要是因為鑄件凝固過程中過量的氣體(主要是氫和氮)從鋁液中析出后無法順利排出鑄件,分布上往往呈現彌散性。縮孔是金屬在凝固過程中由于澆鑄溫度偏高、冷卻速率較低,體積收縮且補縮不充分造成的。氣孔和縮孔破壞鑄件材料的連續性,使鑄件的有效承載截面積減小、強度下降,造成局部應力集中程度過大[5],成為零件斷裂起源或疲勞裂紋源。該齒輪殼鑄件中也發現有疏松缺陷,但并不嚴重,應屬于可接受范圍。

3 結論及建議

(1)該齒輪殼產品鑄造工藝不當,造成鑄件內存在大量氣孔、縮孔和冷豆等鑄造缺陷,是導致該批齒輪殼安裝定位柱發生脆性斷裂的主要原因。鑄造缺陷的存在,大大減小了定位柱的有效承載面積,降低了承載強度,以致定位柱極易發生斷裂。

(2)針對齒輪殼出現的冷豆缺陷,建議改進澆鑄系統,澆鑄速率不宜過高?？刂菩托靖稍?防止金屬液在型內沸騰[6]。對于氣孔和縮孔缺陷,應降低熔體中的氫含量,提高型腔內排氣能力。對于疏松缺陷,應降低澆鑄溫度,減少收縮量,提高壓射力,提高鑄件致密性。

(3)此齒輪殼安裝定位柱的橫截面較小,凸起于齒輪殼整體,又存在臺階設計,建議在不影響齒輪殼功能的前提下,在設計方面進行改善。

[1] 李念奎,凌杲,聶波,等.鋁合金材料及其熱處理技術[M].北京:冶金工業出版社,2014:119.

[2] 鄭麗敏,王學明.鋁合金壓鑄輪輻失效分析[J].兵器材料科學與工程,1986,9(9):41-46.

[3] 鄔鳴,薛亞軍.A380鋁合金壓鑄件缺陷分析[J].現代冶金,2012,40(3):18-21.

[4] 李樹索,趙愛民,毛衛民,等.半固態過共晶Al-Si合金顯微組織中近球形α相形成機理的研究[J].金屬學報,2000,36(5):545-549.

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[6] 荊留生,鄧曉金.鑄鐵件冷豆缺陷的形成和防止[J].軌道交通裝備與技術,2013(2):18-19.

Fracture Failure Analysis of Locating Columns of Gear Housings

CAI Yu-dong
(Asia Pacific Testing Center,Bosch(China)Investment Ltd.,Shanghai 200335,China)

The fracture of locating columns of gear housings made from aluminum alloy happened before and during assembly period.Means such as chemical composition analysis,fracture macrographic examination,scanning electronic microscope and energy spectrum analysis,metallographic examination were used to comprehensively analyze fracture reasons of locating columns.The results show that:the improper casting process of gear housings resulted in the casting defects in casting pieces,such as amounts of gas porosity,shrink porosity and cold shots, which was the main reason for the brittle fracture of locating columns of this batch of gear housings.Finally,the improved measures were brought forward for casting process of gear housings.

gear housing;casting aluminum alloy;fracture;gas porosity;shrinkage;cold shot;casting defect

TG250.6;TG249.2

:B

:1001-4012(2017)01-0058-04

10.11973/lhjy-wl201701013

2016-04-30

蔡玉冬(1981—),男,工程師,碩士,主要從事金屬材料檢測工作,caiyudong_2008＠163.com。