電鍍鋅IF鋼摩托車油箱振動試驗開裂分析及改進(jìn)

0 引言

摩托車油箱作為涉及安全、環(huán)保的特殊部件，批量應(yīng)用前要進(jìn)行安全性、可靠性和耐久性等試驗，主要包含壓力測試、密封性檢測、環(huán)保與適配性、耐疲勞振動試驗等。摩托車油箱原材料主要有冷軋板、電鍍鋅、電鍍鋅鎳合金等，受環(huán)保、成本等方面綜合影響，單面電鍍鋅油箱專用鈍化產(chǎn)品成為中高端摩托車油箱的主要原料。電鍍鋅產(chǎn)品不僅滿足越來越高的環(huán)保要求，同時相對成本低、耐腐蝕性好、附著力強(qiáng)，未鍍面焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點，為進(jìn)一步提高耐汽油腐蝕性能，對鍍鋅面進(jìn)行特殊鈍化處理。單面電鍍鋅油箱專用鈍化IF鋼產(chǎn)品因具有優(yōu)異的深沖性能，可以滿足摩托車油箱各種復(fù)雜的變形要求而成為中高端摩托車油箱的主導(dǎo)產(chǎn)品。某摩托車油箱制造公司用單面電鍍鋅IF鋼產(chǎn)品替換低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品制作油箱，在油箱應(yīng)用性能試驗檢測時，出現(xiàn)振動開裂問題，不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。針對此問題項目組進(jìn)行研究分析，找出導(dǎo)致振動開裂的根本原因，制定相應(yīng)改善措施滿足特殊應(yīng)用需求。

1振動試驗情況簡介

成品單個油箱進(jìn)行模擬裝車疲勞試驗，把成品油箱用螺絲固定在專用臺架上開展振動試驗，具體試驗要求和結(jié)果見表1，IF鋼產(chǎn)品1個循環(huán)后1#、2#安裝孔開裂，試驗失敗；低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品4個循環(huán) +1h 才開裂，振動試驗 0K ，產(chǎn)品開裂照片見圖1。

2缺陷檢驗分析

根據(jù)現(xiàn)場提供樣件，采用光學(xué)顯微鏡、SEM、EDS、維氏硬度計對斷口位置、正常位置進(jìn)行組織、成分、硬度對比檢測分析。

表1振動試驗詳細(xì)情況

圖1產(chǎn)品開裂照片

2.1 斷口裂紋分析

采用SEM對斷口位置微觀形貌觀察，典型照片見圖2，缺陷位置EDS成分分析見表2。試樣斷口表面銹蝕嚴(yán)重，未見明顯非金屬夾雜物，斷口微觀形貌未發(fā)現(xiàn)明顯脆性或韌性斷裂，未發(fā)現(xiàn)裂紋源，分析認(rèn)為高頻振動和放置時間較長導(dǎo)致裂紋源被磨平，同時根據(jù)EDS分析基本可以排除由于大顆粒夾雜導(dǎo)致開裂。

表2缺陷位置EDS成分分析

圖2斷口微觀形貌與EDS分析

2.2斷口位置、正常位置金相組織對比分析采用光學(xué)顯微鏡對金相組織分析，結(jié)果見表3，組織照片見圖3。正常位置與斷口位置組織晶粒度均為9級，但是可以明顯發(fā)現(xiàn)斷口位置存在晶粒拉長變形。

圖3斷口位置和正常位置金相組織

表3金相組織分析

2.3斷口位置、正常位置硬度對比分析

采用維氏硬度計對料片進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表4，斷口位置硬度比正常位置高 28HV 左右。

表4料片硬度檢測結(jié)果

2.4IF鋼與低碳呂鎮(zhèn)鎮(zhèn)靜鋼性能對比

實物性能質(zhì)保書對比見表5，低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼 屈服強(qiáng)度比IF鋼高約 20MPa ，IF鋼的延伸率 ?ⁿ 值、 r 值高于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，綜合看IF鋼的深沖性能 更優(yōu)異。

表5實物性能質(zhì)保書對比

2.5 檢測分析總結(jié)

根據(jù)上述分析，斷口位置由于放置時間和高頻振動試驗導(dǎo)致沒有明顯的裂紋源，同時根據(jù)EDS分析基本可以排除由于大顆粒夾雜導(dǎo)致開裂。組織、硬度對比檢測結(jié)果安裝孔（斷口附近）組織存在明顯變形，硬度大幅提高，分析認(rèn)為斷口附近發(fā)生塑性變形導(dǎo)致微觀組織變形，塑性變形產(chǎn)生大量位錯導(dǎo)致加工硬化使硬度大幅提升。

3斷裂原因分析與改進(jìn)

3.1潛在失效原因

摩托車油箱通過螺絲固定在車架上，振動試驗?zāi)M實際行駛中的振動環(huán)境，測試連接部位的耐久性，振動試驗中出現(xiàn)安裝孔開裂，對潛在主要原因進(jìn)行分析。

1）材料因素：材料中夾雜、氣孔缺陷，會降低抗疲勞性能；材料韌性不足，在高頻振動下易發(fā)生疲勞開裂。

2）螺絲孔設(shè)計因素：應(yīng)力集中，螺絲孔邊緣未設(shè)計足夠圓角或倒角，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中過高；連接剛度不匹配，油箱與車架的剛度差異大，振動時產(chǎn)生附加彎矩，加劇螺絲孔邊緣應(yīng)力。

3）制造工藝：加工缺陷，鉆孔過程中產(chǎn)生毛刺、微裂紋，成為裂紋萌生起點。4）裝配因素：預(yù)緊力不當(dāng)，螺絲預(yù)緊力過高導(dǎo)致局部塑性變形，過低則引發(fā)微動磨損。5）試驗條件：共振放大效應(yīng)，試驗頻率接近油箱固有頻率，導(dǎo)致振幅放大3-5倍。

3.2 原因分析

1）IF鋼產(chǎn)品和低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品對比，由于其無間隙原子的特性、鋼質(zhì)純凈，均勻的 γ 織構(gòu)及細(xì)小均勻組織，使IF鋼的疲勞性能優(yōu)于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，根據(jù)取樣檢驗分析，排除原材料夾雜、韌性不足等因素。

2）根據(jù)螺絲孔開裂處為孔的邊緣位置，可以排除螺絲孔設(shè)計因素導(dǎo)致的應(yīng)力集中和制造工藝不當(dāng)導(dǎo)致毛刺、微裂紋。

3）綜合零件對比檢驗分析及機(jī)理分析，認(rèn)為振動試驗時油箱用螺絲固定在專用臺架上，固定螺絲預(yù)緊力過高導(dǎo)致安裝孔周圍局部塑性變形，微觀組織出現(xiàn)位錯等缺陷，振動試驗過程中導(dǎo)致疲勞開裂。正常IF鋼產(chǎn)品屈服強(qiáng)度低于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，在同樣預(yù)緊力條件下，IF鋼產(chǎn)品抵抗振動能力低于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品。

3.3改進(jìn)措施及效果

根據(jù)分析導(dǎo)致振動試驗開裂的主要原因是螺絲固定在專用臺架上預(yù)緊力過高，針對不同產(chǎn)品應(yīng)調(diào)整預(yù)緊力，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，預(yù)緊力由原30N?m 調(diào)整為 25N?Ω_m ，振動試驗滿足要求。

4結(jié)論

摩托車油箱采用電鍍鋅IF鋼產(chǎn)品替代低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品振動試驗螺孔開裂問題，分析確定由于油箱用螺絲固定在專用臺架上，固定螺絲預(yù)緊力過高導(dǎo)致安裝孔周圍局部塑性變形，微觀組織出現(xiàn)位錯等缺陷，振動試驗過程中導(dǎo)致疲勞開裂，在后續(xù)試驗中采取調(diào)整螺栓預(yù)緊力措施，振動試驗合格。

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