HEV變速器殼體開裂失效分析

許立　黃敏鶇　李艷華　韋賢毅

摘 要：某混動車型變速器殼體測試過程開裂，對開裂的變速器殼體從化學成分、金相、硬度、夾雜物、針孔度、掃描電鏡進行檢測分析，發(fā)現(xiàn)開裂位置存在明顯的針孔缺陷。同時掃描電鏡檢測微觀形貌發(fā)現(xiàn)殼體開裂部位大量氣孔富集形成密集孔洞。從優(yōu)化整車總布置，優(yōu)化殼體鑄造工藝降低殼體針孔度等級，改善變速器產(chǎn)品機構提升殼體的鑄造工藝性三方面提出了殼體改善措施。

關鍵詞：鋁合金殼體 失效分析 針孔度 改善措施

近年來，隨著國家戰(zhàn)略的引導和人們生活品質(zhì)提高的需要，純電動汽車和混動汽車獲得了快速發(fā)展。而汽車重量對混動汽車燃油經(jīng)濟性和純電動汽車的續(xù)航里程起著決定性作用，車重每降低100kg，油耗可減少0.7L/100km[1]。根據(jù)業(yè)內(nèi)的共識，簧下質(zhì)量減重降油耗效果顯著優(yōu)于簧上質(zhì)量，在動力底盤零件設計過程中，為了降油耗產(chǎn)品工程師會依據(jù)CAE分析結果，將零件盡可能減薄，譬如文中提到的將某混動車型變速器殼體的壁厚減薄，這往往帶來一些新的問題。

除了優(yōu)化產(chǎn)品結構，汽車降低能耗的途徑主要是使用新型輕量化材料。壓鑄鋁合金因為優(yōu)異的材料性能、加工的穩(wěn)定性和比強度高等優(yōu)點，成為汽車輕量化的熱門材料。高強韌鋁合金壓鑄件從上世紀90年代起開始批量應用，近年來鋁合金壓鑄件逐步替代鑄鐵，用量逐年增加，并廣泛應用于汽車變速器殼體、發(fā)動機部件和汽車輪轂等等。

隨著汽車工業(yè)技術的進步，大部分鋁合金制造的汽車零部件向壁薄、高強度、高質(zhì)量、高可靠性方向發(fā)展。德國萊茵鋁合金公司研究的新型壓鑄鋁合金：Magsimal-59、Silafont-36與Castasil-37，通過控制Fe元素的含量，實現(xiàn)標準圓棒試樣在鑄態(tài)下斷后延伸率達到17%，并成功應用于汽車車門制造。王海東等對Al-Si-Mg系合金中添加微量元素Ti時，能有效細化晶粒，顯著提供鋁合金的抗拉強度和屈服強度，添加微量Zr或Sr元素，鋁合金的力學性能顯著改善，為制造鋁合金汽車車身、吸能件提供了解決方案[2-3]。

目前研究和應用最廣的鋁合金主要是Al-Mg系、Al-Si系、Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg四個系列。我司的某變速器殼體屬于Al-Si-Cu系的壓鑄鋁合金，牌號是ADC12。

1 故障描述

某混動車型變速器在路試測試時，殼體安裝螺栓處開裂，斷裂情況如下圖1所示。

殼體開裂的裂紋源位于螺栓安裝面下第三螺紋根部（圖1，Ⅰ區(qū)箭頭指向位置；CAE仿真分析顯示，該處屬于應力集中部位）。接著，由于整車振動和負載的作用，裂紋繼續(xù)擴展。由于裂紋距離表面的距離小（開裂抗力小），裂紋優(yōu)先向表面擴展[圖1，（1）箭頭指向位置]。隨后，螺栓預緊力清零，殼體裂紋處應力增大，引起裂紋快速擴展[（2）箭頭指向]，導致殼體部位開裂脫落。

2 故障變速器殼體檢測分析

2.1 檢測計劃

檢測對象：殼體開裂故障件；材料牌號：ADC12，滿足日標JIS H5302-2006；經(jīng)T1處理；鑄造工藝：低壓鑄造。將殼體開裂件進行化學成分和表面硬度檢測，剖切開進行金相檢測和掃描電鏡檢測（SEM）。將殼體開裂件腐蝕后進行針孔度檢測，鐵系夾雜物檢測。

2.1.1 成分及硬度檢測

由表1可見，開裂部位的化學成分合格。

由表2可見，表面布氏硬度實測合格。

2.1.2 金相檢測及鐵系夾雜物檢測，見圖1

金相組織為α固溶體+短針條狀共晶硅，有部分小塊狀初晶硅;鐵系夾雜物少，為細碎小塊狀，金相組織合格。

2.1.3 針孔度檢測

將殼體開裂件沿裂紋剖切開，經(jīng)過15%NaOH溶液腐蝕10min，后經(jīng)20%硝酸水溶液清洗，并經(jīng)清水沖洗后評級。

開裂殼體樣件經(jīng)過針孔度檢測，斷面存在大量肉眼可見的小孔。評定其針孔度，要求：≤2級（普通鑄造鋁合金要求），實測5級，針孔度不合格。（依據(jù)《JB/T 7946.3-2017鑄造鋁合金針孔》評定）

暫時沒有檢索到關于壓鑄鋁合金的相關標準，實際采用了普通重力鑄造鋁合金關于針孔度的評定標準，從檢測結果看，開裂鋁合金殼體針孔度比普通重力鑄造的鋁合金針孔度更加嚴重。

2.1.4 掃描電鏡檢測結果

斷裂件的斷口為準解理形貌，表明斷口是過載型斷口。斷口表面分布大小不一的孔洞缺陷，典型的缺陷大小0.1mm的針孔，部分位置針孔富集成1.7×0.6的蜂窩孔（見圖2所示）。孔洞的缺陷特征表現(xiàn)為輪廓清晰，內(nèi)壁光滑，說明樣件基體缺陷內(nèi)存在未來得及析出的氫氣。

2.2 鋁合金針孔產(chǎn)生的原因及影響

鋁合金熔煉過程中，原料、設備、輔料、空氣等，都有可能攜帶水分與鋁發(fā)生化學反應。

不同溫度反應方程式如下：

小于250℃：2Al+6H2O→2Al（OH）3+3H2↑

大于400℃：2Al（OH）3→Al2O3+3H2O

2Al+3H2O→Al2O3+3H2↑

產(chǎn)生的H2溶解在液態(tài)鋁中。660℃是純鋁的熔點，在660℃液態(tài)鋁液中氫氣的溶解度是0.7cm3/100g；在660℃固態(tài)鋁液中氫氣的溶解度是0.037cm3/100g。液態(tài)鋁氫氣的溶解度是同溫度固態(tài)鋁的19倍[4]。

鋁合金在鑄造過程時，氫元素在液態(tài)鋁合金中有很大的溶解度，當鋁合金完成在模具中的澆注后，隨著溫度降低，氫氣在鋁中的溶解度下降，氫從液態(tài)鋁合金中析出，并合成氫氣。而零件的厚大部位由于結構影響，仍然處于液-固兩相區(qū)時，而零件外緣和模具接觸已優(yōu)先冷卻轉化為固相，厚大部位最后析出的氫氣由于零件外緣結構的封閉，無法析出，形成氣泡留在零件中。這也是零件厚大部位容易出現(xiàn)針孔度超差的原因。

針孔的存在破壞了組織的致密度，降低了組織的力學性能。而常規(guī)的鋁合金零件（例如變速器殼體）厚大部位往往是應力集中的位置，針孔存在將顯著降低零件的力學性能和可靠性壽命。

3 改進方案設計

為了降低鋁合金變速器殼體開裂的概率，主要從三個方面開展改進方案。第一，優(yōu)化整車總布置，降低殼體在最大應力處的應力值;第二，改進殼體的鑄造工藝，降低殼體的針孔度缺陷，提升殼體本體機械性能。第三，改進殼體的設計結構，提高殼體可鑄造工藝性，降低殼體鑄造時產(chǎn)生針孔的概率。

3.1 優(yōu)化整車總布置

通過CAE分析模擬，如增加懸置螺栓，將有助于降低殼體開裂位置的應力水平。通過CAE分析，現(xiàn)殼體懸置有三顆懸置螺栓，如增加到4顆，懸置螺栓處的最大應力水平將從149Mpa降低到136Mpa，有利于緩解殼體懸置螺栓處的應力集中問題。

3.2 殼體壓鑄工藝優(yōu)化

國內(nèi)的科研工作者的工程技術人員，對優(yōu)化鑄造鋁合金針孔度，進行了大量的研究和實踐。葉鳳柏等人，通過調(diào)整冷鐵的位置，顯著降低了鋁合金殼體的針孔缺陷[5]。

王琦對ZL101鑄鋁合金的針孔的成因進行了研究，并通過提高冷卻速度，增加凝固壓力，降低澆注溫度，同時進行鈉變質(zhì)處理，減少了鑄造針孔缺陷[6]。

3.3 殼體結構設計優(yōu)化

由下圖3可見，開裂位置安裝螺栓處鑄件壁厚30mm（見圖3數(shù)模截圖處），而開裂位置旁殼體壁厚只有約4mm，由于相鄰兩處明顯的壁厚效應差（30/4=7.5），在鑄造澆注鋁液后，冷卻過程中，當壁厚4mm處的殼體冷卻成固態(tài)鋁時，而壁厚30mm的螺栓安裝位置仍然處于固液兩相區(qū)，鋁液中溶解的氫氣由于溶解度降低析出時，由于周圍零件的鋁液已經(jīng)凝固形成封閉結構，最后析出的氫氣無法析出，殘留在殼體螺栓安裝處形成針孔。

所以在零件設計時，盡量考慮鑄造的工藝性，相鄰結構處厚度差，譬如可以在厚度突變處增加過渡加強筋，既降低了壁厚效應差，減少了鋁合金鑄造時針孔的產(chǎn)生，又能明顯降低零件的應力集中，增強零件的可靠性水平。

由于殼體暫時處于手工樣件階段，按照項目計劃后續(xù)將從以上改進措施對殼體進行優(yōu)化。

4 結語

通過一系列的檢測分析，可得到結論，鋁合金殼體鑄造不良引起的針孔度超差是殼體開裂的直接原因。

列舉優(yōu)化殼體開裂的三種方案，分別是優(yōu)化整車的總布置降低開裂位置的應力水平，改進殼體鑄造工藝降低殼體的針孔度，及對殼體的產(chǎn)品結構進行優(yōu)化提升鑄造工藝性。

參考文獻：

[1]邱慶榮，孫寶德，周堯和.鋁合金鑄件在汽車上得應用[J].鑄造，1998，1：46-49.

[2]王海東，徐駿，張志峰，等.新型半固態(tài)鋁合金AlSi6Mg2設計與實驗研究[J].中國鑄造裝備與技術，2006（2）：22-25.

[3]王海東，徐駿，楊必成，等.半固態(tài)專用鋁合金AlSi6Mg2微合金化研究[J].稀有金屬，2005，29（5）：780-784.

[4]李育才，鋁合金鑄件針孔缺陷及排除方法[J].航空工藝技術，1997（4）：43-44.

[5]葉鳳柏，郭李勝，王勤儉，等.鋁合金殼體針孔問題的探討[J].鑄造設備研究，2006，5：36-38.

[6]王琦，鑄造針孔和鈉變質(zhì)對ZL101鑄鋁合金組織和性能的影響，理化檢驗-物理分冊[J].2004，9：443-445．