蔡玉冬

(博世(中國(guó))投資有限公司亞太檢測(cè)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(guó))投資有限公司亞太檢測(cè)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(fā)生斷裂。通過(guò)化學(xué)成分分析、斷口宏觀檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗(yàn)的方法,對(duì)安裝定位柱的斷裂原因進(jìn)行了綜合檢驗(yàn)分析。結(jié)果表明:齒輪殼鑄造工藝不當(dāng),造成鑄件內(nèi)存在大量氣孔、縮孔和冷豆等鑄造缺陷,是導(dǎo)致該批齒輪殼安裝定位柱發(fā)生脆性斷裂的主要原因。最后對(duì)齒輪殼的鑄造工藝提出了改進(jìn)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(yè)的飛速發(fā)展,為了減輕車重、提高行駛速度和節(jié)約能源,鋁合金材料成為促進(jìn)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(dòng)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(jīng)過(guò)變質(zhì)或熱處理后,還具有良好的力學(xué)性能、物理性能和切削加工性能,在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用為結(jié)構(gòu)件,如殼體、缸體、箱體和框架等。

某齒輪產(chǎn)品的外殼在裝配前及裝配期間,外殼上的安裝定位柱未經(jīng)任何受力,即發(fā)生數(shù)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(guó)牌號(hào)的鑄造鋁硅合金,類似我國(guó)鋁合金牌號(hào)ZL102。合金中的硅含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),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(dòng)性增加,合金的強(qiáng)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(qiáng)化相θ相(Al2Cu),提高合金的強(qiáng)度[1]。此合金特別適合鑄造壁薄、面積大、形狀復(fù)雜的零件。

該齒輪殼采用壓鑄工藝成型,生產(chǎn)工藝流程如下:熔煉→壓鑄→表面拋丸→機(jī)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(duì)其進(jìn)行了化學(xué)成分分析、斷口宏觀檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗(yàn)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

在齒輪殼上取樣,使用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見(jiàn)表1,可見(jiàn)實(shí)測(cè)值符合DIN EN 1706:2013中對(duì)AlSi12Cu1(Fe)鋁合金化學(xué)成分的技術(shù)要求,其他雜質(zhì)元素含量也未超標(biāo)。

表1 齒輪殼材料的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of material of the gear housing（mass） %

1.2 斷口宏觀檢驗(yàn)

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(jiàn)斷口呈灰色,沒(méi)有變形,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋起始源,也沒(méi)有觀察到裂紋擴(kuò)展、停止線,應(yīng)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(qū)域)為臺(tái)階過(guò)渡角,另外一端(B區(qū)域)有磨損痕跡。在斷口表面發(fā)現(xiàn)氣孔、縮孔和冷豆等鑄造缺陷,且?guī)缀醣椴颊麄€(gè)斷面。圖3為斷口局部放大形貌,也可發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(qū)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(jiàn)圖6～7。

圖4 斷面局部區(qū)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(duì)斷口中的冷豆和金屬基體進(jìn)行能譜(EDS)分析,結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明兩者成分相似,進(jìn)一步驗(yàn)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(jié)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(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results of the cold shot and the base metal（mass） %

1.5 金相檢驗(yàn)

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(tài)局部形貌。和斷面觀察結(jié)果相同,在整個(gè)橫截面上也發(fā)現(xiàn)有大量密集的氣孔、縮孔和冷豆等缺陷,在靠近邊緣區(qū)域尤為嚴(yán)重,其中可觀察到大的冷豆直徑達(dá)482μm。將試樣在0.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫氟酸水溶液中進(jìn)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(qū)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(jié)果說(shuō)明冷豆的α枝晶明顯細(xì)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(tài)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(xué)成分分析結(jié)果可知,發(fā)生斷裂的齒輪殼的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該材料的技術(shù)要求。

通過(guò)斷口形貌觀察及斷口附近橫截面試樣的金相檢驗(yàn)均發(fā)現(xiàn),鑄件中存在氣孔、縮孔、冷豆、疏松等鑄造缺陷,在靠近邊緣區(qū)域缺陷尤為密集,由此可認(rèn)為此齒輪殼安裝定位柱整體存在嚴(yán)重的鑄造缺陷。設(shè)計(jì)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(qiáng)度。在裝配前的包裝、搬運(yùn)及裝配過(guò)程中都有可能受到輕微碰撞,一旦產(chǎn)生裂紋,便會(huì)迅速擴(kuò)展,導(dǎo)致徹底斷裂。

掃描電鏡分析、能譜分析和金相檢驗(yàn)結(jié)果都進(jìn)一步驗(yàn)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(guò)程中由于壓射速率太高而模具溫度太低,當(dāng)金屬流撞擊型壁的瞬間產(chǎn)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?zèng)_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(xì)小縫隙。冷豆在金屬基體內(nèi)部會(huì)造成局部應(yīng)力不均勻,受力時(shí)會(huì)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(huì)導(dǎo)致麻點(diǎn)腐蝕或成為疲勞裂紋的起源點(diǎn)。

金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示,冷豆組織含有較多細(xì)小的枝晶狀α相,這是由于鋁硅合金的共晶共生區(qū)明顯偏向硅一側(cè),過(guò)冷的共晶液體在快冷條件下進(jìn)入共晶共生區(qū)下方的α單相區(qū)形核,并在共晶液體中自由生長(zhǎng)成枝晶狀,這也說(shuō)明在冷速較高時(shí),易出現(xiàn)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(chǎn)生于鑄件內(nèi)部、表面或近表面,呈大小不等的圓形,內(nèi)孔光滑,或以蜂窩狀存在的細(xì)小針孔。該齒輪殼組織中的氣孔比較密集、細(xì)小,應(yīng)為析出性氣孔,主要是因?yàn)殍T件凝固過(guò)程中過(guò)量的氣體(主要是氫和氮)從鋁液中析出后無(wú)法順利排出鑄件,分布上往往呈現(xiàn)彌散性。縮孔是金屬在凝固過(guò)程中由于澆鑄溫度偏高、冷卻速率較低,體積收縮且補(bǔ)縮不充分造成的。氣孔和縮孔破壞鑄件材料的連續(xù)性,使鑄件的有效承載截面積減小、強(qiáng)度下降,造成局部應(yīng)力集中程度過(guò)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(fā)現(xiàn)有疏松缺陷,但并不嚴(yán)重,應(yīng)屬于可接受范圍。

3 結(jié)論及建議

(1)該齒輪殼產(chǎn)品鑄造工藝不當(dāng),造成鑄件內(nèi)存在大量氣孔、縮孔和冷豆等鑄造缺陷,是導(dǎo)致該批齒輪殼安裝定位柱發(fā)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(qiáng)度,以致定位柱極易發(fā)生斷裂。

(2)針對(duì)齒輪殼出現(xiàn)的冷豆缺陷,建議改進(jìn)澆鑄系統(tǒng),澆鑄速率不宜過(guò)高?？刂菩托靖稍?防止金屬液在型內(nèi)沸騰[6]。對(duì)于氣孔和縮孔缺陷,應(yīng)降低熔體中的氫含量,提高型腔內(nèi)排氣能力。對(duì)于疏松缺陷,應(yīng)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(tái)階設(shè)計(jì),建議在不影響齒輪殼功能的前提下,在設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改善。

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

[2] 鄭麗敏,王學(xué)明.鋁合金壓鑄輪輻失效分析[J].兵器材料科學(xué)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(xiàn)代冶金,2012,40(3):18-21.

[4] 李樹(shù)索,趙愛(ài)民,毛衛(wèi)民,等.半固態(tài)過(guò)共晶Al-Si合金顯微組織中近球形α相形成機(jī)理的研究[J].金屬學(xué)報(bào),2000,36(5):545-549.

[5] 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):479-483.

[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(shù),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(cè)工作,caiyudong_2008＠163.com。