鑄鋁發動機懸置開裂分析及改善

劉志斌，黃 龍，管永星

(1.山東美晨工業集團有限公司，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

汽車發動機是汽車最主要的振動源之一，對整車乘坐的舒適性和操控穩定性有著很大的影響。為滿足更為嚴格的車輛NVH 性能要求[1，2]，裝載發動機懸置來起到連接和隔振作用。完美的發動機懸置隔振性能優異：低頻時大剛度、大阻尼，抑制動力總成晃動；高頻時小剛度、小阻尼，滿足隔振要求。隨著汽車工業對輕量化、低能耗要求的日益嚴格，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]為壓鑄鋁產品的常見失效模式。

某汽車發動機懸置在試車時發生斷裂，斷裂位置位于內骨架和發動機連接處。通過對失效件展開分析可積累豐富的鑄鋁件質量管控經驗，更好的應用鋁合金材質。該懸置的設計材料為壓鑄鋁合金，牌號為YL112。發動機懸置為復合型懸置，將橡膠硫化在金屬骨架上行成高強度彈性體，并將其壓裝在鑄鋁外骨架上。內骨架的螺紋孔連接發動機，外骨架螺紋孔連接在車架上，均通過螺栓打緊。發動機懸置布局方式、懸置承載能力不足、汽車超載、疲勞失效等都是觸發斷裂的因素。而研究機械零件材質及其變化狀況是一個很重要的基礎性課題。產品存在一些微小的缺陷，如疏松、氣孔等，可能導致材料強度、剛度等一些性能下降，甚至造成材料破壞而發生斷裂現象。為確定該懸置的斷裂原因，對斷裂零件及其斷口進行了斷口宏觀分析、斷口微觀分析、化學成分分析、力學性能分析、金相組織分析和孔隙率分析。

1 試驗準備

1.1 試驗對象

試驗對象為某汽車公司整車路試過程中發生斷裂失效的發動機后懸，斷裂處位于螺紋孔與加強筋之間，如圖1 所示。該支架材料為YL112壓鑄鋁合金。

圖1 發動機懸置斷裂件

1.2 試驗標準

該試驗參照的標準有：《壓鑄有色合金試樣》GB/T 13822-2017；《金屬材料 布式硬度試驗 第1 部分：試驗方法》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缺陷分級》GB/T 11346-2018。

2 試驗步驟

2.1 斷口宏觀分析

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

圖2 發動機懸置斷裂區域圖

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、斷口擴展方向可判斷斷裂起源于外側次表面縮孔缺陷處，向內快速擴展斷裂。

2.1 斷口金相分析

切取圖3 中斷口樣品2 塊見圖4。鑲嵌磨制拋光后用0.5%氫氟酸水溶液腐蝕，檢驗斷口附近及正常基體的組織。斷口樣塊拋光態，如圖5 所示：可見大量氣孔，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增大鑄件脆性，降低材料的抗拉強度[5]。

圖3 斷口宏觀形貌

圖4 試驗樣

圖5 缺陷尺寸圖

圖6 金相檢測圖

2.2 斷口化學分析

在斷裂懸臂上取樣，采用直讀光譜法對零件的化學成分進行分析，并與標準GB/T 19114-2009 的YL112 材料元素含量要求進行對比。各元素在壓鑄鋁件中的作用見表1。

表1 各元素在鋁件中的作用

1#和2#元素含量檢測如表2，Mg 元素含量超標。鋁合金中的Mg 為強化元素，少量Mg 元素可提高合金抗拉強度。鎂的化學性質較為活潑，在高溫下會增加鋁液的吸氧、氮、氫的傾向，增加鋁件的氣孔缺陷率。在凝固過程中析出強化相Al2CuMg，對鋁液有一定的阻礙作用，若補縮能力不足，會導致鑄件產生疏松缺陷。

表2 化學分析結果 w/%

2.3 抗拉強度分析

從斷裂懸置骨架處三根拉伸試樣棒進行拉伸測試，采用GB/T228-2008 標準中的R6 試棒，在加工拉伸試樣時發現兩個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。為了分析該產品的制造質量差異，取其他鑄造廠的鑄件進行拉斷強度分析，拉伸試樣棒見圖8。抗拉強度試驗結果見表3，由數據可見斷裂材料的強度較低，拉伸強度平均值為118MPa，小于其他廠拉伸強度232MPa，可判定為斷裂壓鑄鋁合金件存在抗拉強度低的質量缺陷。

圖7 斷裂件拉伸試樣

圖8 對比件拉伸試樣

表3 抗拉強度檢測

2.4 硬度檢測

從失效件取樣，打磨后進行硬度檢測。布氏硬度檢測參考標準GB/T 231.1-2018，根據表2 和3 選擇HBW 10/1500。檢測結果符合標準要求，如表4。

表4 硬度檢測結果

3 分析與改善

斷口宏觀分析表明，斷裂開始于加強筋與螺紋孔之間位置，該處受力較大，且屬于鑄造應力集中處。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 相的存在會增大鑄件的脆性，降低材料的抗拉強度。通過本體取樣也可以識別出產品抗拉強度較低，在同等載荷下更容易出現脆性斷裂。

由于產品內部存在較多氣孔，導致產品抗拉強度較低出現脆性斷裂。發動機懸置骨架材料在制造過程中，必須對鑄造工藝進行重新審視和確認，嚴格控制材料成分中鎂元素的含量；重視材料熔煉過程，在滿足要求的前提下，提高或降低熔煉溫度、延長或縮短熔煉時間等。同時降低氣孔產生率作為改善產品內部鑄造質量的重要方向。

3.1 除氣質量不良產生的氣孔

改善因素：若鋁液熔煉過程中混雜較多水蒸氣，易出現嚴重的析氫現象，從而產生較多氫氣孔。

改善措施：嚴格執行鋁液除氣工藝，增加一次除氣過程，保證每班排氣兩次，第一次鋁液熔煉到660℃時，執行第一次除氣，鋁液用到1/2 時，再次執行除氣操作，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，防止排氣不暢產生的氣孔及侵入型氣孔。

3.3 壓鑄參數不當造成卷氣產生的氣孔

改善因素：壓力過小，鋁液流動速率不夠，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，提高工件內部緊密度，防止模具內部窩氣的產生。

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反應，或模溫過高易形成氣孔。

改善措施：加大冷卻力度，把原先冷卻水壓力提高，保證模具不會因為溫度過高，從而產生氣體，導致內部產生疏松氣孔。

4 結論

產品壓鑄工藝經過改善，不僅通過了路試還取得良好的售后表現。產品在研發過程中，需對實物質量進行檢驗確認，本文中使用的本體取樣作為抗拉強度檢測的標準具有一定參考意義，抗拉樣本位置需要設計在鑄造應力集中處。同時壓鑄鋁件在結構設計時盡量遵循等壁原則，使用圓滑過渡各個角。在產品研發過程中積累經驗，識別出潛在風險并進行有效規避，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。