文：涂建国
摘要: 采用微观扫描、化学成分、硬度及金相检验等方法对 ADC12 铸造铝合金齿轮箱开裂的原因进行了分析。结果表明，齿轮箱是由于内部存在较多的针状 β( Al9Fe2Si2) 脆性相和较集中分布的显微疏松孔隙，增加了压铸铝合金的脆性，降低了材料的承载强度，致使齿轮箱零件在承受外力载荷和装配定位销应力共同作用下，过早产生疲劳断裂失效。
关键词: 铝合金; 齿轮箱; 疲劳断裂; 失效分析
目前，国内外发动机齿轮箱主要采用铝硅合金。铝硅合金具有优良的铸造性能，如收缩率小、流动性好、气密性好和热裂倾向小等，经过变质和热处理之后，还具有良好的力学性能和切削加工性能。某汽车上安装使用的 ADC12 铸造铝合金发动机齿轮箱是靠螺栓及定位销紧固于发动机上。安装行驶 36757 公里后，发现该汽车发动机前部漏油，检查发现发动机齿轮箱左下部开裂，机油从裂纹处流出。
齿轮箱生产工艺: 铝锭精炼 700 ～740 ℃—压铸成型( 675 ±10) ℃—自然时效。技术要求: ADC12 成分( 质量分数，%) 为9.6 ～ 12Si、1.5 ～ 3.5Cu、≤1.3Fe、≤0.5Mn、≤0.3Mg、≤0.5Ni、≤1.0Zn、≤0.2Sn，抗拉强度≥228 MPa，屈服强度≥154 MPa，伸长率≥1.4%，硬度≥74.1 HBW。为查明开裂原因，笔者对开裂齿轮箱进行检验和分析。
1 理化检验
1． 1 宏观检验和低倍组织检查
对开裂齿轮箱进行宏观观察，齿轮箱开裂发生在其中一定位销孔处，见图 1( a) ，裂纹已裂透整个壁厚，从断口上观察，裂纹源起始于反面，断口表面有机械损伤痕迹，观察整个断口能清晰观察到由裂纹源、裂纹扩展区和瞬间断裂区 3 个区域组成，断口明显可观察到贝壳状疲劳条纹，瞬间断裂区断口呈粗结晶状断口，见图 1( b) ，人工折断断口呈粗结晶状断口，见图 1( c) 。
1.2 金相观察
从开裂齿轮箱取样磨制金相试样，在徕卡 LeicaDMLM 光学金相显微镜下观察发现，样品局部有较密集的铸造缺陷，见图 2( a) 。样品经氢氟酸水溶液侵蚀后观察，基体为( α 固溶体 + Si 共晶硅) 共晶体，枝晶为初生 α 固溶体，见图2( b) 。在共晶组织中有部分组织分布不均匀，部分共晶硅呈现短棒状和条状，见图 2( c) 。样品经硫酸水溶液侵蚀后进行显微观察，发现有较多黑色针状 β( Al9Fe2Si2) 相和块状铁相组织，见图2( d) 。
1.3 缺陷微观观察及微区成分分析
开裂齿轮箱断口经超声波清洗后，利用 JEOLJSM-6460LV 扫描电子显微镜对裂纹区域进行观察，发现断裂起始于孔内壁，裂纹源区有聚集分布的夹渣，见图 3( a) ，裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹，见图3( b) ，瞬间断裂区，微观形貌为解理 + 韧窝，见图3( c) ，孔内壁区域有疏松孔洞及机械损伤，见图 3( d) 。人工折断区域的微观形貌与瞬间断裂区一样，为解理 + 韧窝，见图 3( e) 。对断口裂纹源和人工折断断口及金相样品分别进行微区成分分析，见图 3( f) ，从结果看出，断口源区含有元素碳、氧、钠、镁、铝、硅、钾、钙、钛、铁元素，为冶炼夹渣; 人工折断样品解理面含有铝、硅元素，为共晶硅相; 金相样品中黑色针状及块状组织含有铝、硅、锰、铁、铜 元 素，为 组 织 中 块 状 和 针 状 的(Al9Fe2Si2) 脆性相，说明样品源区含有夹渣，并且显微组织存在较多的块状和长条状的脆性相组织。
1.4 硬度分析
对开裂齿轮箱样品附近表面进行硬度检测，结果为 92.2、93.5、95.1 HBW，平均值为 94 HBW，符合标准 JIS H5302—2006《铝合金压铸件》中 ADC12 技术要求，但是远高于要求值。
1.5 化学成分分析
对开裂齿轮箱进行化学成分分析，结果见表 1，结果符合标准 JIS H5302—2006 中 ADC12 技术要求。
2 结果与分析
2.1 微观特征
对开裂齿轮箱进行金相分析，局部区域有较密集的铸造缺陷，微观组织: 基体为( α 固溶体 + Si 共晶硅) 共晶体，枝晶为初生 α 固溶体，在共晶组织中有部分组织分布不均匀，部分共晶硅呈现短棒状和条状，并且发现有较多黑色针状 β( Al9Fe2Si2) 组织，一般铸件中不允许存在这种组织特征。
2.2 断口特征及微区成分
通过对齿轮箱开裂断口及人工折断断口进行微观观察分析及微区成分分析，齿轮箱开裂发生在其中一定位销孔处，裂纹已裂透整个壁厚，裂纹源起始于反面，裂纹源区域发现分布有夹渣物质，裂纹扩展区域可清晰看到疲劳辉纹，瞬间断裂区与人工折断区域断口为解理 + 韧窝，属于脆性断裂，开裂区断口具有典型的疲劳断裂特征。显微组织中黑色针状及块状组织成分含有铝、硅、锰、铁、铜元素，判断为 β(Al9Fe2Si2)脆性相; 断口解理区域进行成分分析，结果含有较多 Si少量 Al 元素，说明是共晶硅组织。
3 改进措施及效果
针对齿轮箱开裂的原因，提出以下改进措施:
1) 采用低温回火的方法，将工件加热到 290 ～300 ℃ ，并保温 2 ～ 4 h，炉冷，以降低内应力，提高尺寸稳定性，同时保持一定的加工硬化效果，提高材料的性能。同时严格控制原材料的压铸温度和凝固速度，使材料组织均匀，控制产生空洞及防止材料疏松缺陷。
2) 在合金浇注前加入≤0.5% 的钠或钠盐，以改变铝硅合金的组织，从而提高其力学性能。并将铁含量控制在0.7% 左右，加入一定量的锰元素，使wMn∶ wFe=0.7 ～ 0. 8，并合理控制好其他元素的比例。
3) 合理设计模具和浇注工艺来提高铸件的冷却速度，促使局部有较多的共晶相，实现对组织的控制。按照上述措施对 ADC12 铸造铝合金齿轮箱加工工艺进行改进后，未发生断裂情况。
