鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)懸置開裂分析及改善

劉志斌，黃 龍，管永星

(1.山東美晨工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東諸城 262200；2.通伊歐輪胎（諸城）有限公司，山東諸城 262200)

0 前言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最主要的振動(dòng)源之一，對(duì)整車乘坐的舒適性和操控穩(wěn)定性有著很大的影響。為滿足更為嚴(yán)格的車輛NVH 性能要求[1，2]，裝載發(fā)動(dòng)機(jī)懸置來(lái)起到連接和隔振作用。完美的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置隔振性能優(yōu)異：低頻時(shí)大剛度、大阻尼，抑制動(dòng)力總成晃動(dòng)；高頻時(shí)小剛度、小阻尼，滿足隔振要求。隨著汽車工業(yè)對(duì)輕量化、低能耗要求的日益嚴(yán)格，采用鋁及其合金作為汽車輕量化的首選材料，而脆性斷裂[3，4]為壓鑄鋁產(chǎn)品的常見(jiàn)失效模式。

某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在試車時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂位置位于內(nèi)骨架和發(fā)動(dòng)機(jī)連接處。通過(guò)對(duì)失效件展開分析可積累豐富的鑄鋁件質(zhì)量管控經(jīng)驗(yàn)，更好的應(yīng)用鋁合金材質(zhì)。該懸置的設(shè)計(jì)材料為壓鑄鋁合金，牌號(hào)為YL112。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置為復(fù)合型懸置，將橡膠硫化在金屬骨架上行成高強(qiáng)度彈性體，并將其壓裝在鑄鋁外骨架上。內(nèi)骨架的螺紋孔連接發(fā)動(dòng)機(jī)，外骨架螺紋孔連接在車架上，均通過(guò)螺栓打緊。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置布局方式、懸置承載能力不足、汽車超載、疲勞失效等都是觸發(fā)斷裂的因素。而研究機(jī)械零件材質(zhì)及其變化狀況是一個(gè)很重要的基礎(chǔ)性課題。產(chǎn)品存在一些微小的缺陷，如疏松、氣孔等，可能導(dǎo)致材料強(qiáng)度、剛度等一些性能下降，甚至造成材料破壞而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。為確定該懸置的斷裂原因，對(duì)斷裂零件及其斷口進(jìn)行了斷口宏觀分析、斷口微觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相組織分析和孔隙率分析。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某汽車公司整車路試過(guò)程中發(fā)生斷裂失效的發(fā)動(dòng)機(jī)后懸，斷裂處位于螺紋孔與加強(qiáng)筋之間，如圖1 所示。該支架材料為YL112壓鑄鋁合金。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置斷裂件

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

該試驗(yàn)參照的標(biāo)準(zhǔn)有：《壓鑄有色合金試樣》GB/T 13822-2017；《金屬材料 布式硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》GB/T 231.1-2018；《鋁合金壓鑄件》GB/T 15114-2009；《鋁合金鑄件射線照相檢測(cè)缺陷分級(jí)》GB/T 11346-2018。

2 試驗(yàn)步驟

2.1 斷口宏觀分析

發(fā)動(dòng)機(jī)后懸斷裂位置如圖2 所示。斷裂發(fā)生于加強(qiáng)筋與螺紋孔之間變截面位置附近，該處在整車行駛過(guò)程中受力較大，且屬于鑄造應(yīng)力集中處。斷口宏觀形貌如圖3 所示。斷口整體呈灰色，未見(jiàn)明顯腐蝕形貌。局部發(fā)生嚴(yán)重磨損，并且斷口上可見(jiàn)縮孔缺陷。懸置斷口斷裂體在顯微鏡下觀察，可見(jiàn)斷面均勻分布微小反光點(diǎn)，斷裂模式為沖擊斷裂。斷面存在縮孔缺陷，長(zhǎng)度為4.8mm，寬度為2.3mm，表面形貌呈光滑的熔融狀態(tài)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置斷裂區(qū)域圖

綜上所述，可初步判定斷裂為典型的脆性斷裂。并且由斷口上人字紋花樣收斂方向、斷口擴(kuò)展方向可判斷斷裂起源于外側(cè)次表面縮孔缺陷處，向內(nèi)快速擴(kuò)展斷裂。

2.1 斷口金相分析

切取圖3 中斷口樣品2 塊見(jiàn)圖4。鑲嵌磨制拋光后用0.5%氫氟酸水溶液腐蝕，檢驗(yàn)斷口附近及正常基體的組織。斷口樣塊拋光態(tài)，如圖5 所示：可見(jiàn)大量氣孔，1#最大尺寸0.26mm，2#最大尺寸0.44mm。斷口附近組織形貌如圖6 所示，組織以α（Al）基體與條狀共晶硅為主，含復(fù)合鐵相與少量塊狀初晶硅，鐵相頭部呈尖角狀。疏松、條塊狀共晶硅及尖角狀鐵相的存在會(huì)增大鑄件脆性，降低材料的抗拉強(qiáng)度[5]。

圖3 斷口宏觀形貌

圖4 試驗(yàn)樣

圖5 缺陷尺寸圖

圖6 金相檢測(cè)圖

2.2 斷口化學(xué)分析

在斷裂懸臂上取樣，采用直讀光譜法對(duì)零件的化學(xué)成分進(jìn)行分析，并與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19114-2009 的YL112 材料元素含量要求進(jìn)行對(duì)比。各元素在壓鑄鋁件中的作用見(jiàn)表1。

表1 各元素在鋁件中的作用

1#和2#元素含量檢測(cè)如表2，Mg 元素含量超標(biāo)。鋁合金中的Mg 為強(qiáng)化元素，少量Mg 元素可提高合金抗拉強(qiáng)度。鎂的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在高溫下會(huì)增加鋁液的吸氧、氮、氫的傾向，增加鋁件的氣孔缺陷率。在凝固過(guò)程中析出強(qiáng)化相Al2CuMg，對(duì)鋁液有一定的阻礙作用，若補(bǔ)縮能力不足，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生疏松缺陷。

表2 化學(xué)分析結(jié)果 w/%

2.3 抗拉強(qiáng)度分析

從斷裂懸置骨架處三根拉伸試樣棒進(jìn)行拉伸測(cè)試，采用GB/T228-2008 標(biāo)準(zhǔn)中的R6 試棒，在加工拉伸試樣時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)試樣棒含有少量的疏松、孔洞缺陷，拉伸試樣棒形貌如圖7 所示。為了分析該產(chǎn)品的制造質(zhì)量差異，取其他鑄造廠的鑄件進(jìn)行拉斷強(qiáng)度分析，拉伸試樣棒見(jiàn)圖8。抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，由數(shù)據(jù)可見(jiàn)斷裂材料的強(qiáng)度較低，拉伸強(qiáng)度平均值為118MPa，小于其他廠拉伸強(qiáng)度232MPa，可判定為斷裂壓鑄鋁合金件存在抗拉強(qiáng)度低的質(zhì)量缺陷。

圖7 斷裂件拉伸試樣

圖8 對(duì)比件拉伸試樣

表3 抗拉強(qiáng)度檢測(cè)

2.4 硬度檢測(cè)

從失效件取樣，打磨后進(jìn)行硬度檢測(cè)。布氏硬度檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1-2018，根據(jù)表2 和3 選擇HBW 10/1500。檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如表4。

表4 硬度檢測(cè)結(jié)果

3 分析與改善

斷口宏觀分析表明，斷裂開始于加強(qiáng)筋與螺紋孔之間位置，該處受力較大，且屬于鑄造應(yīng)力集中處。斷口微觀分析表明，斷裂起源于表面的疏松缺陷處，呈典型脆性斷裂形貌，同時(shí)組織中尖角狀β 相，疏松、條塊狀共晶硅以及針狀β 相的存在會(huì)增大鑄件的脆性，降低材料的抗拉強(qiáng)度。通過(guò)本體取樣也可以識(shí)別出產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度較低，在同等載荷下更容易出現(xiàn)脆性斷裂。

由于產(chǎn)品內(nèi)部存在較多氣孔，導(dǎo)致產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度較低出現(xiàn)脆性斷裂。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置骨架材料在制造過(guò)程中，必須對(duì)鑄造工藝進(jìn)行重新審視和確認(rèn)，嚴(yán)格控制材料成分中鎂元素的含量；重視材料熔煉過(guò)程，在滿足要求的前提下，提高或降低熔煉溫度、延長(zhǎng)或縮短熔煉時(shí)間等。同時(shí)降低氣孔產(chǎn)生率作為改善產(chǎn)品內(nèi)部鑄造質(zhì)量的重要方向。

3.1 除氣質(zhì)量不良產(chǎn)生的氣孔

改善因素：若鋁液熔煉過(guò)程中混雜較多水蒸氣，易出現(xiàn)嚴(yán)重的析氫現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較多氫氣孔。

改善措施：嚴(yán)格執(zhí)行鋁液除氣工藝，增加一次除氣過(guò)程，保證每班排氣兩次，第一次鋁液熔煉到660℃時(shí)，執(zhí)行第一次除氣，鋁液用到1/2 時(shí)，再次執(zhí)行除氣操作，并做好記錄，以此減少鋁液中原生氣孔。

3.2 排氣不良產(chǎn)生的氣孔

改善因素：頂桿間隙較小，排氣效果差。

改善措施：提高模具排氣，把原先模具直徑為10mm 的頂桿換成直徑為9.95mm 的頂桿，加大排氣量，防止排氣不暢產(chǎn)生的氣孔及侵入型氣孔。

3.3 壓鑄參數(shù)不當(dāng)造成卷氣產(chǎn)生的氣孔

改善因素：壓力過(guò)小，鋁液流動(dòng)速率不夠，不易于氣孔排出。

改善措施：提高壓射壓力，把原先高壓140MPa 提高至150MPa，保證壓射壓力，提高工件內(nèi)部緊密度，防止模具內(nèi)部窩氣的產(chǎn)生。

3.4 鋁合金的縮氣孔

改善因素：模具降溫不徹底，已造成鋁液與模腔本體或吸附雜質(zhì)反應(yīng)，或模溫過(guò)高易形成氣孔。

改善措施：加大冷卻力度，把原先冷卻水壓力提高，保證模具不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高，從而產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生疏松氣孔。

4 結(jié)論

產(chǎn)品壓鑄工藝經(jīng)過(guò)改善，不僅通過(guò)了路試還取得良好的售后表現(xiàn)。產(chǎn)品在研發(fā)過(guò)程中，需對(duì)實(shí)物質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)確認(rèn)，本文中使用的本體取樣作為抗拉強(qiáng)度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)具有一定參考意義，抗拉樣本位置需要設(shè)計(jì)在鑄造應(yīng)力集中處。同時(shí)壓鑄鋁件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡量遵循等壁原則，使用圓滑過(guò)渡各個(gè)角。在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)，識(shí)別出潛在風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行有效規(guī)避，才能將新型材料廣泛的推廣，真正做到零部件輕量化的有效展開。