圖 1 斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的宏觀形貌
分享：壓鑄鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因
在雙碳政策及新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，汽車的輕量化轉(zhuǎn)型成為重要趨勢。鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)能有效降低懸掛系統(tǒng)以下部件的質(zhì)量、提升燃油效率、減少排放[1]，因此在商用車及特種車輛等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別是在發(fā)展迅猛的新能源汽車產(chǎn)業(yè)。轉(zhuǎn)向節(jié)作為汽車的關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到汽車的行駛安全。開裂的轉(zhuǎn)向節(jié)可能導(dǎo)致汽車行駛中轉(zhuǎn)向失靈等嚴(yán)重故障，危及駕乘人員的安全。
某汽車右后轉(zhuǎn)向節(jié)在客戶端壓裝34孔球頭時(shí)出現(xiàn)了側(cè)面開裂的情況。該批次產(chǎn)品是成熟工藝的鑄鋁件，材料為鋁合金A356，布氏硬度不小于85 HBW，抗拉強(qiáng)度不小于280 MPa，屈服強(qiáng)度不小于220 MPa，斷后伸長率不小于6%。采用擠壓鑄造成型后再進(jìn)行機(jī)械加工。在批量壓裝過程中，發(fā)現(xiàn)1件產(chǎn)品開裂，且安裝前未進(jìn)行表面處理。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂位置為34號(hào)安裝孔的邊緣，上下兩面都是機(jī)械加工面，斷面與安裝孔徑向平行，機(jī)械加工面較光滑，外表面未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷和外來損傷。
斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：整個(gè)斷口大面積區(qū)域呈亮灰色，在靠近外徑的位置有一部分深灰色區(qū)域（區(qū)域1），表面發(fā)暗，可能為氧化所致，周圍形貌匯聚到外徑上表面，推測區(qū)域1為起裂源。
圖 2 斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)斷口的宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
按照GB/T 20975.25—2020 《鋁及鋁合金化學(xué)分析方法 第25部分：元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》對(duì)斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20975.25—2020對(duì)鋁合金A356的要求。
Table 1. 斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Sr | |
| 實(shí)測值 | 6.79 | 0.07 | <0.01 | <0.01 | 0.35 | <0.01 | 0.13 | 0.017 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 6.5~7.5 | ≤0.19 | ≤0.2 | ≤0.1 | 0.25~0.45 | ≤0.1 | ≤0.2 | 0.016~0.025 |
1.3 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像分析
在斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的安裝環(huán)部分取樣，對(duì)試樣進(jìn)行工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像分析，掃描三坐標(biāo)軸如圖3所示，為便于描述，將通孔的兩個(gè)加工面分別標(biāo)為上和下，分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：先由xz軸平面從上表面開始向下表面逐層掃描，可觀察到靠近上表面斷口位置有較多疏松和裂紋，中部54 mm處可見鑄造裂紋，再往下直至下表面都未發(fā)現(xiàn)缺陷；再由yz軸平面在斷口處從外徑至內(nèi)徑進(jìn)行逐層掃描，可觀察到在該平面靠近上表面位置有較多疏松和裂紋，繼續(xù)向內(nèi)徑掃描，未發(fā)現(xiàn)更多缺陷。說明轉(zhuǎn)向節(jié)斷口附近存在鑄造缺陷，且缺陷集中于上表面靠近外徑的位置。
圖 3 掃描三坐標(biāo)軸示意
圖 4 斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像分析結(jié)果
1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)斷口表面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：區(qū)域1及區(qū)域2深灰色區(qū)域呈金屬凝固后的原始特征形貌；區(qū)域3和區(qū)域4均為韌窩形貌[2]。推測區(qū)域1附近鑄造缺陷較多，主要為裂紋及疏松。
圖 5 轉(zhuǎn)向節(jié)斷口表面SEM形貌
在區(qū)域1和3的不同位置取樣，對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，取樣位置如圖6所示，分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：發(fā)現(xiàn)區(qū)域1表面的C、O元素含量均高于區(qū)域3，推測區(qū)域1表面存在氧化層。
圖 6 能譜分析位置
Table 2. 區(qū)域1，3的能譜分析結(jié)果
| 分析位置 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | O | Mg | Al | Si | Fe | |
| 區(qū)域1譜圖1 | 29.72 | 15.56 | 2.08 | 44.29 | 8.35 | - |
| 區(qū)域1譜圖2 | 30.80 | 15.93 | 1.64 | 45.16 | 6.11 | 0.35 |
| 區(qū)域3譜圖2 | 10.08 | 2.44 | 0.28 | 64.88 | 21.87 | 0.44 |
| 區(qū)域3譜圖3 | 12.31 | 3.63 | - | 63.40 | 19.99 | 0.67 |
1.5 金相檢驗(yàn)
在斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)斷口起裂源附近，以平行上表面xz坐標(biāo)為橫截面進(jìn)行取樣，根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：斷口附近組織中存在α固溶體和共晶硅，同時(shí)可見較多裂紋，裂紋呈連續(xù)的直線或圓滑的曲線；缺陷多集中在靠近斷口表面的位置；xz軸平面中部54 mm處可見裂紋狀縫隙，其棱邊呈圓角狀，判斷該處為鑄造缺陷。
圖 7 斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)斷口處顯微組織形貌
1.6 力學(xué)性能測試
按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》對(duì)斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行布氏硬度測試，按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對(duì)斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行拉伸性能測試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均符合技術(shù)要求，斷后伸長率不符合技術(shù)要求。
Table 3. 斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)力學(xué)性能測試結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 屈服強(qiáng)度/MPa | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長率/% | 硬度/HBW |
|---|---|---|---|---|
| 實(shí)測值 | 250 | 315 | 4.5 | 108.3，107.2，110.5 |
| 技術(shù)要求 | ≥220 | ≥280 | ≥6 | ≥85 |
2. 綜合分析
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的化學(xué)成分、硬度均無異常。轉(zhuǎn)向節(jié)斷口上表面靠近外徑的區(qū)域存在顯著的疏松和裂紋缺陷，裂紋起源于鑄造缺陷較多的區(qū)域。斷口表面局部區(qū)域C和O元素含量較高，表明斷口局部區(qū)域有氧化膜和碳雜質(zhì)，使該區(qū)域的結(jié)合強(qiáng)度下降。斷口附近組織中存在α固溶體和共晶硅。斷裂轉(zhuǎn)向節(jié)的斷后伸長率較小，不滿足技術(shù)要求。
鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)在壓裝孔球頭時(shí)，其外徑處存在裂紋、疏松等鑄造缺陷，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度下降。隨著壓力的持續(xù)加載，裂紋從外徑鑄造缺陷處開始萌生并不斷擴(kuò)展，最終造成轉(zhuǎn)向節(jié)側(cè)面斷裂，斷裂性質(zhì)為韌性斷裂。
3. 結(jié)語與建議
鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)存在鑄造缺陷，在壓裝力的作用下，鑄造缺陷處開始萌生裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生韌性斷裂。
建議在鑄造過程中采取更嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，以避免產(chǎn)生鑄造缺陷，同時(shí)提高材料的均勻性、金屬的充型能力，增強(qiáng)排氣。在鑄造成型后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測，進(jìn)一步把控鑄造質(zhì)量，以確保產(chǎn)品的可靠性和安全性。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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