汽車鑄造鋁合金缸蓋失效分析

佘祖新，張凱，王長(zhǎng)朋，牟獻(xiàn)良

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汽車鑄造鋁合金缸蓋失效分析

佘祖新1,2，張凱1,2，王長(zhǎng)朋1,2，牟獻(xiàn)良1,2

（1. 西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2. 重慶市環(huán)境腐蝕與防腐工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

某汽車公司的鑄造鋁合金缸蓋在使用過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂，需尋找缸蓋發(fā)生失效的原因。通過(guò)應(yīng)用環(huán)境掃描電鏡觀察缸蓋斷口形貌、金相顯微鏡觀察斷口金相組織、纖維硬度儀檢測(cè)缸蓋芯部硬度、化學(xué)成分分析和低倍針孔度測(cè)試方法，對(duì)鋁合金缸蓋的失效原因進(jìn)行全面分析。鋁合金缸蓋樣品化學(xué)成分和硬度滿足技術(shù)要求，金相組織未發(fā)現(xiàn)異常，低倍針孔度控制良好。分型線凹槽過(guò)深造成應(yīng)力集中較大，是缸蓋失效的主要原因。建議在缸蓋的生產(chǎn)過(guò)程中需進(jìn)一步控制分型線凹槽深度，以避免失效。

鋁合金；缸蓋；失效分析

鋁合金氣缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，缸蓋會(huì)強(qiáng)烈受熱并承受較大的熱沖擊作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，工作環(huán)境十分苛刻。從鑄件結(jié)構(gòu)工藝方面分析，汽車鋁合金缸蓋是典型的薄壁復(fù)雜鑄件，其壁厚一般為3.0～5.0 mm，對(duì)尺寸精度和力學(xué)性能要求高[1-4]。在鋁合金選擇方面，通常采用Al-Si7-Mg（A356）系鑄造鋁合金來(lái)制備汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋和滑塊構(gòu)件[5]。

某汽車公司送檢的發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋在使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂失效，檢查后發(fā)現(xiàn)在缸蓋壁部存在裂紋。缸蓋材料為A356.2鑄造鋁合金。為了研究汽車鋁合金缸蓋發(fā)生開(kāi)裂失效的原因，文中采用多種理化檢驗(yàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)與分析，并提出了改進(jìn)建議以避免類似失效事件再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)方法

采用Quanta200 環(huán)境掃描電鏡對(duì)鋁合金缸蓋斷口進(jìn)行微觀形貌分析，采用Observer.A1m 型倒置式金相顯微鏡按照J(rèn)B/T 6289—2005《內(nèi)燃機(jī)鑄造鋁活塞 金相檢驗(yàn)》和JB/T 7946.1—1999《鑄造鋁合金金相鑄造鋁硅合金變質(zhì)》進(jìn)行金相組織分析。利用ICP分析儀按照GB/T 20975.25—2008《鋁及鋁合金化學(xué)分析方法第25部分電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》對(duì)鋁合金缸蓋進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用顯微硬度儀按照GB/T 231.1—2002 《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分試驗(yàn)方法》進(jìn)行布氏硬度分析，采用金相顯微鏡按照J(rèn)B/T 7946.3—1999《鑄造鋁合金金相鑄造鋁合金針孔》進(jìn)行低倍針孔度分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

斷口是斷裂失效分析的最主要物證，是殘骸分析中斷裂信息的重要來(lái)源之一[6-7]。對(duì)失效缸蓋進(jìn)行全面仔細(xì)的檢查后，發(fā)現(xiàn)氣缸外表面不存在如夾砂、氣孔、積瘤等鑄造缺陷，僅在缸蓋壁部存在裂紋，在裂紋位置將缸蓋解剖開(kāi)成為1#樣塊和2#樣塊，并對(duì)其進(jìn)行拍照，1#、2#樣塊的宏觀形貌如圖1a和b所示。在圖1a和b中標(biāo)注的位置均可明顯地看到一條裂紋，該裂紋貫穿缸蓋水道和進(jìn)氣道之間的薄壁。為進(jìn)一步確定裂紋源的位置，對(duì)裂紋處進(jìn)行了解剖分析，解剖后的斷口宏觀形貌如圖1c所示，從圖1c可以發(fā)現(xiàn)，裂紋源存在于2#樣塊斷口上。

2.2 斷口分析

為了更好地對(duì)斷口特征進(jìn)行分析，文中采用環(huán)境掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察[8-9]， 2#樣塊的斷口形貌如圖2所示。從圖2a和b可以看出，裂紋起始于水道分型面表面，裂紋源存在裂紋擴(kuò)展形成的臺(tái)階紋，說(shuō)明裂紋源處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。斷口為撕裂和準(zhǔn)解理的斷口特征，未發(fā)現(xiàn)有原始裂紋、縮孔、分層等原始鑄造缺陷。對(duì)裂紋源附近的微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋源附近的次表層斷口為準(zhǔn)解理斷口特征，斷面存在典型疲勞紋理[7,9]，如圖2d所示。

氣缸蓋作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，其上部安裝有凸輪軸，下部與氣缸體、活塞組成燃燒室。當(dāng)燃?xì)庠谌紵覂?nèi)爆燃時(shí)，室內(nèi)氣體溫度瞬間高達(dá)1100 ℃以上，這種高溫循環(huán)熱沖擊反復(fù)作用于燃燒室內(nèi)壁，且在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)7 MPa的壓力峰值，這個(gè)壓力直接作用于氣缸蓋的燃燒室部位。此外，由于冷卻水的作用，氣缸蓋各部分溫度分布很不均勻，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。因此，氣缸蓋在高溫狀態(tài)下還需承受較大的熱沖擊作用和產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得氣缸蓋存在較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

在對(duì)芯部斷口進(jìn)行微觀形貌的觀察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)芯部斷口表面存在嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，表面被氧化產(chǎn)物所覆蓋，局部表面存在鱗片狀氧化起層，看不到斷口的真實(shí)特征，同時(shí)腐蝕產(chǎn)物在電鏡掃描過(guò)程中存在放電現(xiàn)象，呈白亮色，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

2.3 金相組織分析

在2#樣塊的裂紋源附近位置處取樣進(jìn)行金相組織觀察[10-11]，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。樣品的金相組織如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，缸蓋基體金相組織為：α（Al）枝晶 + 點(diǎn)狀或蠕蟲(chóng)狀共晶硅，組織均勻致密。評(píng)定依據(jù)采用JB/T 6289—2005《內(nèi)燃機(jī)鑄造鋁活塞金相檢驗(yàn)》，評(píng)定結(jié)果：魚(yú)骨狀鐵相夾雜級(jí)別為1級(jí)（魚(yú)骨狀鐵相夾雜不明顯）；針狀鐵相夾雜級(jí)別為1級(jí)（針狀鐵相夾雜不明顯）。裂紋源處無(wú)明顯鑄造孔洞、裂紋等原始缺陷，無(wú)明顯樹(shù)枝狀枝晶組織存在，基體組織及夾雜物均達(dá)到技術(shù)要求。

對(duì)水道分型面表層組織及斷口組織進(jìn)行金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)水道分型面表層組織及斷口組織同裂紋源組織，組織無(wú)明顯平行水道分型面表面及斷口表面的樹(shù)枝狀枝晶組織存在，鑄造組織良好，測(cè)試結(jié)果如圖5a和b所示。對(duì)于芯部，其金相組織同裂紋源處組織，鑄造組織良好，其金相組織如圖5c所示。金相組織測(cè)試結(jié)果表明，鋁合金氣缸蓋的鑄造質(zhì)量良好，無(wú)明顯的鑄造缺陷。

分型線凹槽深度如圖6所示，裂紋源附近分型線凹槽深度約為0.92 mm，底部尖銳，距離裂紋源較遠(yuǎn)處分型線凹槽深度約為0.37 mm，底部圓鈍。結(jié)合圖1所示的缸蓋及其斷口宏觀形貌，分析可得裂紋貫穿于缸蓋水道和進(jìn)氣道之間的薄壁。由于裂紋源所處位置為缸蓋凹槽薄壁，且形狀上也不易于散熱，在持續(xù)受熱的條件下，氣缸蓋水道內(nèi)表面受熱膨脹，形成拉應(yīng)力。該處薄壁屬于抗拉強(qiáng)度低的部位，當(dāng)拉應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生開(kāi)裂[12]。同時(shí)，裂紋源附近處凹槽底部尖銳，也易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在拉應(yīng)力和自身應(yīng)力的共同作用下，使得缸蓋發(fā)生開(kāi)裂。

2.4 化學(xué)成分分析

在失效缸蓋上隨機(jī)截取試樣進(jìn)行樣品化學(xué)成分分析[13-14]，分析結(jié)果見(jiàn)表1。鋁合金缸蓋樣品化學(xué)成分中Cu元素含量高于技術(shù)要求（對(duì)本次失效影響不大），其他化學(xué)成分含量均滿足技術(shù)要求。

表1 缸蓋化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.5 硬度測(cè)試

按GB/T 231.1—2002《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品芯部進(jìn)行硬度測(cè)試[15]，芯部硬度（HB）測(cè)試結(jié)果為114.0，115.0，114.0，滿足技術(shù)要求（HB）80～120。

2.6 低倍針孔度測(cè)試

針孔是鋁合金鑄件常見(jiàn)的缺陷之一，不僅降低鑄件力學(xué)性能、致密性以及抗腐蝕性能等，還會(huì)增大鑄件的表面粗糙度[16]。鋁合金缸蓋結(jié)構(gòu)和工藝都很復(fù)雜，且質(zhì)量要求非常高，尤其是致密性要求非常高，不能滲漏。通過(guò)對(duì)鋁合金缸蓋的解剖，按照J(rèn)B/T 7946.3—1999《鑄造鋁合金金相鑄造鋁合金針孔》，在斷口附近取樣進(jìn)行低倍針孔度觀察，腐蝕溶液為10%的NaOH水溶液，如圖7所示。樣品低倍針孔度級(jí)別為1級(jí)，表明樣品的低倍針孔度控制良好。

圖7 樣品低倍針孔度

3 結(jié)論

鋁合金缸蓋樣品化學(xué)成分中Cu元素高于技術(shù)要求（對(duì)本次失效影響不大），其余元素滿足技術(shù)要求，硬度滿足技術(shù)要求，金相組織未發(fā)現(xiàn)異常，低倍針孔度控制良好。從缸蓋樣品的宏觀分析可見(jiàn)，裂紋起始于水道分型面表面凹槽處，凹槽處為形狀突變區(qū)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。結(jié)合樣品斷口微觀形貌分析，裂紋源處存在明顯臺(tái)階紋，表明裂紋源處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。綜合分析推斷，樣品主要是在水道分型面凹槽處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，較大的應(yīng)力對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展起促進(jìn)作用，造成早期裂紋在水道分型面凹槽處萌生并發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型汽車鋁合金缸蓋的失效分析，裂紋起始于分型線凹槽位置，分型線凹槽過(guò)深造成應(yīng)力集中較大，外力作用下裂紋易在此位置萌生，建議在缸蓋的生產(chǎn)過(guò)程中需進(jìn)一步控制分型線凹槽深度，避免類似失效事件的發(fā)生。

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Failure Analysis of Cast Aluminum Alloy Cylinder Head for Vehicle

SHE Zu-xin, ZHANG Kai,WANG Chang-peng,MOU Xian-liang

(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

To find the cause for cracking of cast aluminum alloy cylinder head supplied by a certain motor corporation during using.The failure cause for the cylinder head was analyzed by observing appearance of fracture with SEM, observing metallographic structure of fracture with metallographic microscope, testing the core hardness of cylinder head with fiber hardness tester, analyzing chemical component and testing macrostructure pinhole degree, et.al.Chemical component and harness of sample for aluminum alloy cylinder head met the technical requirements. There was no abnormity on metallographic structure. The macrostructure pinhole degree was controlled properly. The larger depth of parting line groove was the main cause for the failure of cylinder head.It is suggested to further control the depth of parting line groove in production of cylinder head to avoid failure.

aluminum alloy; cylinder head; failure analysis

TM315

A

1672-9242(2018)03-0081-05

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.017

2017-10-29；

2017-11-25

佘祖新（1988—），女，貴州人，碩士，工程師，主要從事裝備環(huán)境試驗(yàn)研究工作。

王長(zhǎng)朋（1985—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧鲜c分析。