铸铝发动机悬置开裂分析及改善

刘志斌，黄 龙，管永星

(1.山东美晨工业集团有限公司，山东诸城 262200；2.通伊欧轮胎（诸城）有限公司，山东诸城 262200)

0 前言

汽车发动机是汽车最主要的振动源之一，对整车乘坐的舒适性和操控稳定性有着很大的影响。为满足更为严格的车辆NVH 性能要求[1，2]，装载发动机悬置来起到连接和隔振作用。完美的发动机悬置隔振性能优异：低频时大刚度、大阻尼，抑制动力总成晃动；高频时小刚度、小阻尼，满足隔振要求。随着汽车工业对轻量化、低能耗要求的日益严格，采用铝及其合金作为汽车轻量化的首选材料，而脆性断裂[3，4]为压铸铝产品的常见失效模式。

某汽车发动机悬置在试车时发生断裂，断裂位置位于内骨架和发动机连接处。通过对失效件展开分析可积累丰富的铸铝件质量管控经验，更好的应用铝合金材质。该悬置的设计材料为压铸铝合金，牌号为YL112。发动机悬置为复合型悬置，将橡胶硫化在金属骨架上行成高强度弹性体，并将其压装在铸铝外骨架上。内骨架的螺纹孔连接发动机，外骨架螺纹孔连接在车架上，均通过螺栓打紧。发动机悬置布局方式、悬置承载能力不足、汽车超载、疲劳失效等都是触发断裂的因素。而研究机械零件材质及其变化状况是一个很重要的基础性课题。产品存在一些微小的缺陷，如疏松、气孔等，可能导致材料强度、刚度等一些性能下降，甚至造成材料破坏而发生断裂现象。为确定该悬置的断裂原因，对断裂零件及其断口进行了断口宏观分析、断口微观分析、化学成分分析、力学性能分析、金相组织分析和孔隙率分析。

1 试验准备

1.1 试验对象

试验对象为某汽车公司整车路试过程中发生断裂失效的发动机后悬，断裂处位于螺纹孔与加强筋之间，如图1 所示。该支架材料为YL112压铸铝合金。

图1 发动机悬置断裂件

1.2 试验标准

该试验参照的标准有：《压铸有色合金试样》GB/T 13822-2017；《金属材料 布式硬度试验 第1 部分：试验方法》GB/T 231.1-2018；《铝合金压铸件》GB/T 15114-2009；《铝合金铸件射线照相检测缺陷分级》GB/T 11346-2018。

2 试验步骤

2.1 断口宏观分析

发动机后悬断裂位置如图2 所示。断裂发生于加强筋与螺纹孔之间变截面位置附近，该处在整车行驶过程中受力较大，且属于铸造应力集中处。断口宏观形貌如图3 所示。断口整体呈灰色，未见明显腐蚀形貌。局部发生严重磨损，并且断口上可见缩孔缺陷。悬置断口断裂体在显微镜下观察，可见断面均匀分布微小反光点，断裂模式为冲击断裂。断面存在缩孔缺陷，长度为4.8mm，宽度为2.3mm，表面形貌呈光滑的熔融状态。

图2 发动机悬置断裂区域图

综上所述，可初步判定断裂为典型的脆性断裂。并且由断口上人字纹花样收敛方向、断口扩展方向可判断断裂起源于外侧次表面缩孔缺陷处，向内快速扩展断裂。

2.1 断口金相分析

切取图3 中断口样品2 块见图4。镶嵌磨制抛光后用0.5%氢氟酸水溶液腐蚀，检验断口附近及正常基体的组织。断口样块抛光态，如图5 所示：可见大量气孔，1#最大尺寸0.26mm，2#最大尺寸0.44mm。断口附近组织形貌如图6 所示，组织以α（Al）基体与条状共晶硅为主，含复合铁相与少量块状初晶硅，铁相头部呈尖角状。疏松、条块状共晶硅及尖角状铁相的存在会增大铸件脆性，降低材料的抗拉强度[5]。

图3 断口宏观形貌

图4 试验样

图5 缺陷尺寸图

图6 金相检测图

2.2 断口化学分析

在断裂悬臂上取样，采用直读光谱法对零件的化学成分进行分析，并与标准GB/T 19114-2009 的YL112 材料元素含量要求进行对比。各元素在压铸铝件中的作用见表1。

表1 各元素在铝件中的作用

1#和2#元素含量检测如表2，Mg 元素含量超标。铝合金中的Mg 为强化元素，少量Mg 元素可提高合金抗拉强度。镁的化学性质较为活泼，在高温下会增加铝液的吸氧、氮、氢的倾向，增加铝件的气孔缺陷率。在凝固过程中析出强化相Al2CuMg，对铝液有一定的阻碍作用，若补缩能力不足，会导致铸件产生疏松缺陷。

表2 化学分析结果 w/%

2.3 抗拉强度分析

从断裂悬置骨架处三根拉伸试样棒进行拉伸测试，采用GB/T228-2008 标准中的R6 试棒，在加工拉伸试样时发现两个试样棒含有少量的疏松、孔洞缺陷，拉伸试样棒形貌如图7 所示。为了分析该产品的制造质量差异，取其他铸造厂的铸件进行拉断强度分析，拉伸试样棒见图8。抗拉强度试验结果见表3，由数据可见断裂材料的强度较低，拉伸强度平均值为118MPa，小于其他厂拉伸强度232MPa，可判定为断裂压铸铝合金件存在抗拉强度低的质量缺陷。

图7 断裂件拉伸试样

图8 对比件拉伸试样

表3 抗拉强度检测

2.4 硬度检测

从失效件取样，打磨后进行硬度检测。布氏硬度检测参考标准GB/T 231.1-2018，根据表2 和3 选择HBW 10/1500。检测结果符合标准要求，如表4。

表4 硬度检测结果

3 分析与改善

断口宏观分析表明，断裂开始于加强筋与螺纹孔之间位置，该处受力较大，且属于铸造应力集中处。断口微观分析表明，断裂起源于表面的疏松缺陷处，呈典型脆性断裂形貌，同时组织中尖角状β 相，疏松、条块状共晶硅以及针状β 相的存在会增大铸件的脆性，降低材料的抗拉强度。通过本体取样也可以识别出产品抗拉强度较低，在同等载荷下更容易出现脆性断裂。

由于产品内部存在较多气孔，导致产品抗拉强度较低出现脆性断裂。发动机悬置骨架材料在制造过程中，必须对铸造工艺进行重新审视和确认，严格控制材料成分中镁元素的含量；重视材料熔炼过程，在满足要求的前提下，提高或降低熔炼温度、延长或缩短熔炼时间等。同时降低气孔产生率作为改善产品内部铸造质量的重要方向。

3.1 除气质量不良产生的气孔

改善因素：若铝液熔炼过程中混杂较多水蒸气，易出现严重的析氢现象，从而产生较多氢气孔。

改善措施：严格执行铝液除气工艺，增加一次除气过程，保证每班排气两次，第一次铝液熔炼到660℃时，执行第一次除气，铝液用到1/2 时，再次执行除气操作，并做好记录，以此减少铝液中原生气孔。

3.2 排气不良产生的气孔

改善因素：顶杆间隙较小，排气效果差。

改善措施：提高模具排气，把原先模具直径为10mm 的顶杆换成直径为9.95mm 的顶杆，加大排气量，防止排气不畅产生的气孔及侵入型气孔。

3.3 压铸参数不当造成卷气产生的气孔

改善因素：压力过小，铝液流动速率不够，不易于气孔排出。

改善措施：提高压射压力，把原先高压140MPa 提高至150MPa，保证压射压力，提高工件内部紧密度，防止模具内部窝气的产生。

3.4 铝合金的缩气孔

改善因素：模具降温不彻底，已造成铝液与模腔本体或吸附杂质反应，或模温过高易形成气孔。

改善措施：加大冷却力度，把原先冷却水压力提高，保证模具不会因为温度过高，从而产生气体，导致内部产生疏松气孔。

4 结论

产品压铸工艺经过改善，不仅通过了路试还取得良好的售后表现。产品在研发过程中，需对实物质量进行检验确认，本文中使用的本体取样作为抗拉强度检测的标准具有一定参考意义，抗拉样本位置需要设计在铸造应力集中处。同时压铸铝件在结构设计时尽量遵循等壁原则，使用圆滑过渡各个角。在产品研发过程中积累经验，识别出潜在风险并进行有效规避，才能将新型材料广泛的推广，真正做到零部件轻量化的有效展开。