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]。根據業(yè)內的共識，簧下質量減重降油耗效果顯著優(yōu)于簧上質量，在動力底盤零件設計過程中，為了降油耗產品工程師會依據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?。鸭y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，經過15%NaOH溶液腐蝕10min，后經20%硝酸水溶液清洗，并經清水沖洗后評級。

開裂殼體樣件經過針孔度檢測，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《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）?？锥吹娜毕萏卣鞅憩F為輪廓清晰，內壁光滑，說明樣件基體缺陷內存在未來得及析出的氫氣。

2.2 鋁合金針孔產生的原因及影響

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．