變速箱懸置支臂斷裂原因

邵百明, 倪 雷

(上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司， 上海 200438)

汽車變速箱懸置屬于動力總成懸置的一種，是汽車上重要的部件。其連接變速箱與副車架，主要用于固定并支撐變速箱、阻止地面的沖擊通過副車架傳遞給動力總成，避免對動力總成產(chǎn)生影響，同時阻隔動力總成的振動傳遞給副車架和乘客倉，以提高車輛的舒適性[1-2]。

變速箱懸置是由金屬件和減震部件橡膠或液阻懸置元件組件組成[3]，其中金屬件起到承載的作用。少數(shù)車型的變速箱懸置采用鋼板制造，大部分車型采用鑄造鋁合金制造變速箱懸置。鑄造的工藝為高壓鑄造、重力鑄造或擠壓鑄造。如果工藝過程控制不當或模具設(shè)計不良，將產(chǎn)生鑄造缺陷，如冷隔、氣孔、疏松、裂紋或夾雜等[4]。這些缺陷會降低材料的力學性能，最終導致零件的承載能力降低，在后續(xù)車輛的運行過程中，可能出現(xiàn)疲勞或過載斷裂，因此通過模具設(shè)計、工藝過程控制保障鑄件的質(zhì)量是零部件制造企業(yè)的重要工作。

某變速箱懸置的支臂材料為A380鋁合金，其在整車路試中過坑時出現(xiàn)了斷裂，為了查明斷裂原因，筆者對其進行了檢驗和分析，最終確定了其失效的原因，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

在整車路試中，某車型行駛1 500 km后，在過深坑沖擊的情況下，其變速箱懸置的支臂在截面積較小、受力較大的區(qū)域發(fā)生了斷裂，如圖1所示。

對斷裂懸置支臂表面螺栓鎖緊的區(qū)域進行觀察，可見表面壓痕清晰，無松動后螺栓與懸置表面反復磨損的痕跡，表明螺栓鎖緊良好，未曾出現(xiàn)松動。對橡膠以及其他部位進行檢查，未見開裂或變形的特征。以上特征表明懸置未受到異常大的沖擊載荷。

圖1 斷裂變速箱懸置支臂的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured transmission mounting arm:a) physical diagram; b) schematic diagram

變速箱懸置的支臂是一個空腔結(jié)構(gòu)，將該次斷裂的支臂剖開，對其內(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)其表面粗糙，存在明顯黏?，F(xiàn)象，如圖2所示，斷裂位置恰好為空腔根部薄弱區(qū)域。

圖2 斷裂支臂型腔內(nèi)表面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cavity surface of the fractared arm

1.2 斷口分析

斷裂支臂的斷面宏觀形貌如圖3所示，可見斷口局部表面粗糙、起伏明顯，除主斷裂面之外，還存在明顯的二次裂紋。從宏觀上看，螺栓緊固一側(cè)的斷裂面與主斷裂面略有不同，局部呈現(xiàn)一定弧形面，且還有剪切的斷口形貌存在。一般情況下，斷裂面有多種形貌時，剪切區(qū)為最后斷裂區(qū)[5]。這些特征表明，螺栓緊固一側(cè)應(yīng)該為最后斷裂區(qū)，因此支臂的整體斷裂方向如圖箭頭所示。

圖3 斷裂支臂斷裂面的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture surface of the fractured arm:a) fracture surface on fastening side of bolt;b) fracture surface on non-fastening side of bolt

利用EVO MA25型蔡司掃描電鏡(SEM)對斷口進行微觀形貌觀察,如圖4所示，可見有高溫熔融結(jié)晶和解理中熔融的特征。熔融結(jié)晶的形貌是材料在主要呈液態(tài)的情況下斷裂后，于高溫下材料繼續(xù)結(jié)晶凝固形成的；解理+熔融的特征是材料基本凝固了，但溫度還較高的情況下斷裂形成的。這兩種形貌都是材料高溫下熱態(tài)開裂產(chǎn)生的,表明該零件內(nèi)部存在大面積的熱態(tài)裂紋。

圖4 支臂斷口的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture of the arm:a) melt crystallization; b) cleavage+melt crystallization

1.3 金相檢驗

在支臂斷口處進行剖切，并對剖切面進行粗磨、精磨、拋光，然后采用DM6000型萊卡金相顯微鏡進行孔隙和金相檢驗。

圖5為金相試樣的孔隙檢驗結(jié)果。其局部最大孔隙率為0.86%,最大孔隙為0.5 mm，符合產(chǎn)品的技術(shù)要求(最大孔隙率5%，最大孔隙1 mm)。

圖5 斷裂支臂金相試樣的孔隙檢測結(jié)果Fig.5 Porosity test results of metallographic sample of the fractured arm

由圖5還可知，與斷口對應(yīng)的粗糙區(qū)域存在多條次裂紋。依據(jù)裂紋開口的大小來看，這些次裂紋除圖5虛線所圈的區(qū)域外，主要由上往下擴展(由支臂型腔的內(nèi)表面往外表面擴展)；同時在靠近斷口附近區(qū)域，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部有連續(xù)的黑線，應(yīng)該是材料內(nèi)部的隱裂紋。

圖5中5個位置的顯微組織形貌如圖6所示，可見斷裂支臂的顯微組織為α-鋁+細小的共晶硅+少量初晶硅。

圖6 圖5中5個位置的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of five positions in Fig.5:a) position 1; b) position 2; c) position 3; d) position 4; e) position 5

1.4 化學成分分析

采用Bruker Q4型直讀光譜儀對斷裂支臂的化學成分進行分析，結(jié)果見表1?？梢姅嗔阎П鄣幕瘜W成分符合ASTM B85-03StandardSpecificationforAluminum-AlloyDieCastings對A380鋁合金的技術(shù)要求。

表1 斷裂變速箱懸置支臂的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured transmission mounting arm(mass fraction) %

1.5 硬度測試

采用INNOVATEST NEMESIS 9000型硬度計，依據(jù)GB/T 231.1-2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對斷裂支臂進行布氏硬度測試，結(jié)果為89.0，91.3，92.0 HB，符合圖紙的技術(shù)要求(不小于80 HB)。

1.6 同批次零件的檢查

為了確認是否因為支臂空腔黏模導致熱態(tài)裂紋的形成，對未安裝的同批次零件進行檢查，發(fā)現(xiàn)有一定比例的零件存在黏?，F(xiàn)象，如圖7所示?？梢娭П劭涨粌?nèi)表面粗糙，底部有堆積凝固的鋁液。與失效件相比，相同之處是內(nèi)壁具有黏模拉傷的現(xiàn)象，不同點為失效件底部未見明顯堆積的凝固鋁液。

抽取同批次黏模和無明顯黏模的零件進行z向破斷力測試，結(jié)果見表2，可知存在黏模的零件其z向的破斷力明顯不符合技術(shù)要求，且遠低于未黏模的零件。

圖7 同批次變速箱懸置支臂黏模件的型腔內(nèi)表面宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of die cavity surface of the samebatch transmission mounting arm die sticking part

表2 支臂z向破斷力測試結(jié)果

取同批次的黏模件進行金相檢驗，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在隱裂紋，而無黏模件未檢測到隱裂紋。

推測內(nèi)部凝固堆積的鋁液應(yīng)該是黏模拉傷鑄件后，未凝固的鋁液流淌出來所致。由此可知脫模時鑄件未完全凝固。

圖8 同批次黏膜件的裂紋微觀形貌Fig.8 Micro morphology of cracks in the same batch die sticking part

2 分析與討論

斷裂支臂的斷裂面大部分區(qū)域的微觀形貌呈現(xiàn)高溫開裂后結(jié)晶和解理+熔融的特征，明顯不同于正常的過載斷口。這表明斷裂支臂斷裂面存在初始熱態(tài)裂紋。熱態(tài)裂紋的存在，降低了支臂的實際承載面積，從而導致車輛過坑時受到一定沖擊后即發(fā)生斷裂。同批次零件的z向破斷力測試結(jié)果也充分說明了這一點。

對于鋁鑄件來說，熱態(tài)裂紋形成的原因可能是材料的熱裂傾向較大或成分不符合要求，存在一些元素促使鑄造熱裂紋的產(chǎn)生；或者零件結(jié)構(gòu)突變，凝固縮收受阻，局部形成大的應(yīng)力而拉裂；或者脫模過早，材料未完全凝固，強度不足或出現(xiàn)黏模。

A380鋁合金是常用壓鑄鋁合金，廣泛應(yīng)用于各種汽車部件，其具有良好的鑄造性能，熱裂傾向不明顯[6]。斷裂支臂的化學成分符合ASTM B85-03對A380鋁合金的成分要求，其顯微組織未見異常，由此可以排除材料相關(guān)因素導致熱態(tài)裂紋產(chǎn)生的可能性。

該斷裂支臂的形狀與其他懸置支臂的形狀接近，是一種常見的造型結(jié)構(gòu)，與其他鑄件相比，其澆道和冒口的布置也無明顯的差異。基于以上分析可以確定，支臂上裂紋的產(chǎn)生與鑄件形狀或模具設(shè)計引起凝固縮收受阻無關(guān)。

由金相檢驗可知，斷裂面上局部次裂紋(初始熱態(tài)裂紋)的方向由上往下擴展(也就是由支臂型腔的內(nèi)表面往外表面擴展)，與支臂的整體斷裂方向不同。結(jié)合失效件黏模情況來看，導致材料熱態(tài)開裂的載荷應(yīng)該是脫模時黏膜導致的。

為了查找黏模的原因，按照原先設(shè)定的工藝參數(shù)進行連續(xù)生產(chǎn)，并進行生產(chǎn)過程的跟蹤，排查可能導致黏模的因素。隨著生產(chǎn)的進行，鑄件內(nèi)表面的粗糙度逐漸惡化，表明隨著壓鑄次數(shù)的增加，模具溫度的上升，黏模的現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)了。對這些零件進行z向破壞力測試，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值與同批次抽檢的黏模零件相當，表明黏模的發(fā)生應(yīng)該與模具溫度逐漸上升有關(guān)。

與此同時，在生產(chǎn)過程中還發(fā)現(xiàn)，脫模劑只能噴到芯模的正表面，而無法噴到其背面。這樣會導致芯模背面由于未噴到脫模劑而脫模困難，且背表面的溫度高于正表面的。這兩點因素均會導致與芯模背面接觸的表面容易黏模。事實上，鑄件黏模的表面恰好為此面，證明了上述推理。

脫模時，支臂冷卻還不充分。在未完全凝固的情況下，材料容易與模具出現(xiàn)黏連，同時材料的強度較低，也容易出現(xiàn)拉裂。未完全凝固與模內(nèi)冷卻時間以及模具的冷卻能力有關(guān)，而模具冷卻時間的設(shè)定與模具的冷卻能力相關(guān)。

3 結(jié)論及建議

該變速箱懸置支臂的斷裂是因為內(nèi)部存在熱態(tài)裂紋，熱態(tài)裂紋的產(chǎn)生與支臂壓鑄生產(chǎn)時模具溫度的上升、芯模背面未噴脫模劑以及脫模時鑄件冷卻不充分有關(guān)。

建議在芯模的背面增加噴嘴，保證芯模所有區(qū)域能被噴到適量的脫模劑；在芯模中間增加水道，降低生產(chǎn)時芯模的溫度，加速鑄件的冷卻速度；延長鑄件在模具內(nèi)的冷卻時間。