摘 要:某汽車雨刮臂在安裝時于臂座處發生開裂.采用宏觀分析、化學成分及硬度分析、掃描 電鏡(SEM)分析和金相檢驗等方法,對雨刮臂座開裂的原因進行了分析.結果表明:雨刮臂座存 在冷隔缺陷和裝配不當共同導致了雨刮臂座在裝配時發生開裂,其中冷隔缺陷是主要因素;雨刮臂 座中的冷隔缺陷是由于模具結構不合理及冷模件控制不當造成的. 

關鍵詞:雨刮臂;開裂;冷隔;縮孔 

中圖分類號:TG２９２,TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８４６Ｇ０４

隨著汽車工業的飛速發展,汽車行業競爭越來越 激烈;而產品的質量在競爭中起到非常重要的作用, 也決定著企業的發展前途.雨刮器作為汽車上的一 個安全件,其刮雨效果和可靠性將直接影響行車安 全.雨刮臂的質量將直接影響雨刮器的性能[１Ｇ３].

某車型雨刮器的雨刮臂在裝配過程中,于雨刮 臂臂座位置處發生了開裂.筆者通過宏觀分析、化 學成分及硬度分析、掃描電鏡(SEM)分析和金相檢 驗等方法,對雨刮臂臂座的開裂原因進行了分析,以 期類似失效不再發生.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

失效雨刮臂的宏觀形貌如圖１a)所示,圖１b)和 圖１c)分別為臂座裝配面和臂座孔的裝配痕跡.由 圖１可見,雨刮臂的斷裂發生在臂座中間區域,裝配 面上斷裂兩側的裝配壓痕明顯不同,左側的壓痕偏 大;臂座裝配孔左右兩側裝配痕跡也明顯不均勻. 雨刮臂安裝的產品數據管理(PDM)要求為:雨刮臂 應該被壓平后再安裝螺母.在模擬雨刮臂自然狀態 裝配(刮臂裝配面與電機軸不垂直)時,就會出現如 同該開裂失效雨刮臂類似的裝配痕跡.因此,可以 認定裝配過程不符合規范要求,這種裝配方式會導 致雨刮臂臂座局部受力異常. 

１．２ 化學成分及硬度分析

采用 Bruker直讀光譜儀對雨刮臂的化學成分 進行分 析,結 果 見 表 １.圖 紙 規 定 雨 刮 臂 材 料 為 ADC１２鋁合金,實際化學成分分析結果符合產品的 技術規范要求.采用 UH９３０型硬度計對失效雨刮 臂座進行布氏硬度測定,結果為８８HB２．６/６２．５,符 合產品的技術規范要求.

１．３ 掃描電鏡(SEM)分析 

對雨刮臂座的開裂斷口采用 VHXＧ２０００E 體視 顯微鏡 進 行 低 倍 觀 察 ,斷 口 形 貌 如 圖２所 示 .可見左側斷面上有多處明顯的白亮色區域(圖２中虛線 框內)及較多的細微白點,這些位置呈現出冶金熔合 不良的特征.在對應的另一半斷口邊緣有明顯的類 似夾皮的特征存在,這些夾皮具有明亮的金屬特征 同時與臂座基體有清晰的分界線,這應該是表層金 屬冷卻過快導致的分層現象.

圖２中斷口的SEM 形貌如圖３所示,可見低倍 下呈現白亮色的區域有的存在大片狀的高溫熔融平 面,無冶金結合特征,如圖３a)所示;有的為近自由 態特征,有較多的球面形態,如圖３b)所示,這些球面形貌無明顯冶金結合特征,該區域呈弱連接狀態. 正常的鋁合金過載斷口應該為準解理,熔融平面缺 陷的存在會明顯降低臂座的結構強度. 

１．４ 金相檢驗 

沿著失 效 雨 刮 臂 座 水 平 切 開 后,剖 面 形 貌 如 圖４a)所示,圖４b)為斷口兩側的顯微組織形貌對 比.由圖４a)可知,臂座剖面的局部位置有明顯較 大的縮松缺陷,孔隙率為９．０９％(體積分數),最大 單孔直徑為３．２mm,不符合圖紙的規定(測量依據 SMTC５２０００３０－２０１３«金屬鑄件孔隙度»),但這 些缺陷位置遠離斷裂區域,并不是導致臂座開裂的 原因.由圖４b)可知,整個斷口兩側的顯微組織有 明顯差異,其中１區顯微組織為白色塊狀α相＋細 小致密的共晶硅＋少量初生硅,２區和３區的顯微 組織均為白色大塊狀α相＋棒狀的共晶硅(分布松 散)＋少量初生硅,１區和２區之間有一條清晰的冷 隔線,開裂正好發生在冷隔線所在的位置. 

２ 分析與討論 

２．１ 雨刮臂座開裂原因分析 

從化學成分、硬度的檢測結果來看,失效雨刮臂材料的化學 成 分 和 硬 度 都 符 合 產 品 技 術 規 范,說 明這些因素與本次失效無關.通過對失效雨刮臂 的金相和 SEM 分析可知,失效雨刮臂座上存在明 顯的冷隔缺 陷 和 縮 松 缺 陷,但 縮 松 缺 陷 遠 離 斷 裂 部位,與失 效 關 系 不 大.鋁 液 澆 鑄 冷 卻 過 程 中 在 臂座孔的匯 流 區 域 同 時 形 成 了 冷 隔 缺 陷,冷 隔 線 兩側組織明 顯 不 同,說 明 鋁 液 匯 流 后 由 于 溫 度 偏 低、流動性差等因素沒有完全熔融,形成了鑄造冷 隔[４],在斷口 上 表 現 為 大 片 狀 的 熔 融 區 域 和 較 多 的球狀自由面,這些位置都沒有明顯的冶金熔合, 這會明顯地 削 弱 該 區 域 的 結 構 強 度,在 刮 臂 未 壓 平的狀態下 進 行 裝 配 時,臂 座 受 力 不 均 從 而 在 擰 緊過程中發生開裂. 

２．２ 缺陷形成原因及模流分析 

為進一步分析冷隔缺陷和縮松缺陷形成的原 因,對雨刮臂模具結構進行了分析.圖５為失效雨 刮臂鑄造過程中溫度變化的模流分析圖,可以看出 雨刮臂的澆鑄是從刮臂桿部開始,開裂臂座區域已 經接近最后的澆鑄區,在填充過程中始終溫度較低, 這會降低鋁液的流動性,同時由于臂座孔的存在,填 充鋁液有個匯流的過程,較差的流動性可能導致匯 流區域兩股鋁液無法完全熔融,從而形成冷隔缺陷.

由于鑄造縮松和冷隔也有可能發生在冷模階 段,因此對冷模件后的零件進行了金相剖切檢驗. 目前雨刮臂冷模件的控制數量為８件,分別對１０組 冷模件后的第９~１５件進行類似剖切檢查,在第９~ １４件上發現了４件雨刮臂存在明顯鑄造縮松缺陷, 第１５件上均未發現明顯縮松和冷隔缺陷.

３ 結論及建議 

雨刮臂座存在冷隔缺陷和裝配不當共同導致雨 刮臂座裝配時發生開裂,其中冷隔缺陷是主要因素, 該冷隔缺陷是由于模具結構不合理及冷模件控制不 當造成的.

建議優化雨刮臂鑄造模具結構,在臂座末端增 加排氣道及排氣板,同時在缺陷部位增加１條澆道 以增強補縮和提高末端澆鑄溫度,如圖７所示;增加 冷模件的控制數量,從８件增加到１５件;裝配現場 嚴格按照雨刮臂安裝的產品數據管理(PDM)的要 求進行操作. 

參考文獻: 

[１] 劉志瑩,李云峰．雨刮臂座斷裂失效分析[J]．中國鑄 造裝備與技術,２０１０(５):４６Ｇ４８． 

[２] 蔣良春．J１３車型前雨刮器刮刷失效分析及整改措施 [J]．企業科技與發展,２０１４(６):５０Ｇ５１． 

[３] 董婷,龔應時．汽 車 雨 刮 器 刮 桿 接 頭 斷 裂 失 效 分 析 [J]．理化檢驗(物理分冊),２０１１,４７(１２):７９０Ｇ７９２． 

[４] 張濤,陳志軍,王文豪,等．某超臨界電站鍋爐送風機 葉片 的 斷 裂 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊), ２０１６,５２(７):４７９Ｇ４８３．

文章來源——材料與測試網