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隨合金鑄造技術的發展,在保證強度、氣密性等條件下,汽車部分零件也由原來的鑄鐵件向更輕的鑄鋁件轉變,相應地也會出現一些與制造工藝相關的零件失效問題。制動主缸是汽車液壓制動系統的心臟,是汽車的重要零部件,須具有較高的安全系數。

某型號主缸體在量產過程中突發批量開裂，部分產品密封檢測漏氣，嚴重影響生產交付。本文通過多維度技術分析，揭示其失效根源，為工藝優化提供科學依據。

1.宏觀檢查

如圖1所示，主缸體前端尺寸過渡倒角位置，可見裂紋分布。部分裂紋間斷分布，且裂紋低倍下彎折呈鋸齒狀，具有內應力裂紋擴展特征。將裂紋打開,如圖1(c)所示,裂紋已貫穿至零件內表面,與密封檢測漏氣相吻合。

圖1 主缸開裂圖

2.斷口分析

邊緣存在較嚴重的腐蝕,腐蝕物呈龜裂狀分布。能譜分析腐蝕產物含有大量S、O元素,推斷腐蝕物應為陽極氧化處理后產物,即裂紋在陽極氧化處理前已存在。取人為斷口進行微觀觀察,發現靠近缸體外壁的斷口表面可見光滑晶界面晶界面分布較多的圓滑顆粒狀與短棒狀共晶硅,為典型的組織過燒導致的晶界復熔開裂形貌。

圖2主缸斷口掃描電鏡形貌與微區能譜

3.顯微組織分析

進行顯微組織觀察,如圖3所示：斷口附近基體組織內存在疏松以及較多內裂紋,裂紋具有沿晶界擴展特征。組織中共晶硅呈圓角狀顆粒,在晶界處呈聚集長大,晶界復熔現象現象,為過熱組織,局部過燒組織特征。

圖3 主缸斷口顯微組織

4.相變溫度

由 DSC 曲線可知,失效主缸吸熱峰的起始溫度約為 535.5 ℃,此溫度為低熔點共晶組織的熔化溫度。

圖4.主缸DSC曲線圖

5.成分分析

結果見表1,可知失效主缸的化學成分不符合 GB/T 1173-2013《鑄造鋁合金》中牌號 ZL111 化學成分要求,其中 Mg元素含量超出標準要求上限值。

表1.成分分析表

6.分析與討論

從斷口形貌觀察與能譜分析可知,此裂紋在陽極氧化前已存在,與應力腐蝕開裂無關。斷口表面可見典型的晶界復熔開裂形貌,且晶界面分布較多的圓滑顆粒狀與短棒狀共晶硅。共晶硅向晶界處聚集長大,可見明顯晶界復熔現象,以上現象表明失效主缸存在明顯過燒現象。

GB/T 25745-2010《鑄造鋁合金熱處理》中規定牌號ZL11 固溶熱處理工藝為分級加熱固溶:500~510℃,4~6 h;530~540℃,6~8 h。文獻表明低溫固溶處理時,低熔點共晶物溶解于合金中,在后續高溫固溶熱處理時可有效防止組織過燒。失效主缸的相變初始溫度約為535.5 ℃,為保證強化相充分溶入基體,又不引起組織過燒,固溶溫度一般應低于相變初始溫度5~10 ℃。失效主缸固溶溫度為535 ℃,與引起組織過燒溫度相近。過燒組織會嚴重弱化晶界,顯著降低材料強度,是導致缸體在淬火應力作用下開裂的主要原因。

7.總結

1)導致缸體開裂的主要原因為組織存在過燒缺陷,降低材料強度,且晶界存在呈圓角狀分布的脆性相共晶硅,并聚集長大,進一步羽化晶界,在淬火應力作用下,使缸體開裂,后續車加工使裂紋擴展至宏觀裂紋。

2)主缸化學成分中元素 Mg含量偏高,降低引起鑄件過燒的溫度,是導致主缸開裂的根本原因。