分享：汽车雨刮臂座开裂失效分析

摘 要:某汽车雨刮臂在安装时于臂座处发生开裂.采用宏观分析、化学成分及硬度分析、扫描 电镜(SEM)分析和金相检验等方法,对雨刮臂座开裂的原因进行了分析.结果表明:雨刮臂座存 在冷隔缺陷和装配不当共同导致了雨刮臂座在装配时发生开裂,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结构不合理及冷模件控制不当造成的. 

关键词:雨刮臂;开裂;冷隔;缩孔 

中图分类号:TG２９２,TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８４６Ｇ０４

随着汽车工业的飞速发展,汽车行业竞争越来越 激烈;而产品的质量在竞争中起到非常重要的作用, 也决定着企业的发展前途.雨刮器作为汽车上的一 个安全件,其刮雨效果和可靠性将直接影响行车安 全.雨刮臂的质量将直接影响雨刮器的性能[１Ｇ３].

某车型雨刮器的雨刮臂在装配过程中,于雨刮 臂臂座位置处发生了开裂.笔者通过宏观分析、化 学成分及硬度分析、扫描电镜(SEM)分析和金相检 验等方法,对雨刮臂臂座的开裂原因进行了分析,以 期类似失效不再发生.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

失效雨刮臂的宏观形貌如图１a)所示,图１b)和 图１c)分别为臂座装配面和臂座孔的装配痕迹.由 图１可见,雨刮臂的断裂发生在臂座中间区域,装配 面上断裂两侧的装配压痕明显不同,左侧的压痕偏 大;臂座装配孔左右两侧装配痕迹也明显不均匀. 雨刮臂安装的产品数据管理(PDM)要求为:雨刮臂 应该被压平后再安装螺母.在模拟雨刮臂自然状态 装配(刮臂装配面与电机轴不垂直)时,就会出现如 同该开裂失效雨刮臂类似的装配痕迹.因此,可以 认定装配过程不符合规范要求,这种装配方式会导 致雨刮臂臂座局部受力异常. 

１．２ 化学成分及硬度分析

采用 Bruker直读光谱仪对雨刮臂的化学成分 进行分 析,结 果 见 表 １.图 纸 规 定 雨 刮 臂 材 料 为 ADC１２铝合金,实际化学成分分析结果符合产品的 技术规范要求.采用 UH９３０型硬度计对失效雨刮 臂座进行布氏硬度测定,结果为８８HB２．６/６２．５,符 合产品的技术规范要求.

１．３ 扫描电镜(SEM)分析 

对雨刮臂座的开裂断口采用 VHXＧ２０００E 体视 显微镜 进 行 低 倍 观 察 ,断 口 形 貌 如 图２所 示 .可见左侧断面上有多处明显的白亮色区域(图２中虚线 框内)及较多的细微白点,这些位置呈现出冶金熔合 不良的特征.在对应的另一半断口边缘有明显的类 似夹皮的特征存在,这些夹皮具有明亮的金属特征 同时与臂座基体有清晰的分界线,这应该是表层金 属冷却过快导致的分层现象.

图２中断口的SEM 形貌如图３所示,可见低倍 下呈现白亮色的区域有的存在大片状的高温熔融平 面,无冶金结合特征,如图３a)所示;有的为近自由 态特征,有较多的球面形态,如图３b)所示,这些球面形貌无明显冶金结合特征,该区域呈弱连接状态. 正常的铝合金过载断口应该为准解理,熔融平面缺 陷的存在会明显降低臂座的结构强度. 

１．４ 金相检验 

沿着失 效 雨 刮 臂 座 水 平 切 开 后,剖 面 形 貌 如 图４a)所示,图４b)为断口两侧的显微组织形貌对 比.由图４a)可知,臂座剖面的局部位置有明显较 大的缩松缺陷,孔隙率为９．０９％(体积分数),最大 单孔直径为３．２mm,不符合图纸的规定(测量依据 SMTC５２０００３０－２０１３«金属铸件孔隙度»),但这 些缺陷位置远离断裂区域,并不是导致臂座开裂的 原因.由图４b)可知,整个断口两侧的显微组织有 明显差异,其中１区显微组织为白色块状α相＋细 小致密的共晶硅＋少量初生硅,２区和３区的显微 组织均为白色大块状α相＋棒状的共晶硅(分布松 散)＋少量初生硅,１区和２区之间有一条清晰的冷 隔线,开裂正好发生在冷隔线所在的位置. 

２ 分析与讨论 

２．１ 雨刮臂座开裂原因分析 

从化学成分、硬度的检测结果来看,失效雨刮臂材料的化学 成 分 和 硬 度 都 符 合 产 品 技 术 规 范,说 明这些因素与本次失效无关.通过对失效雨刮臂 的金相和 SEM 分析可知,失效雨刮臂座上存在明 显的冷隔缺 陷 和 缩 松 缺 陷,但 缩 松 缺 陷 远 离 断 裂 部位,与失 效 关 系 不 大.铝 液 浇 铸 冷 却 过 程 中 在 臂座孔的汇 流 区 域 同 时 形 成 了 冷 隔 缺 陷,冷 隔 线 两侧组织明 显 不 同,说 明 铝 液 汇 流 后 由 于 温 度 偏 低、流动性差等因素没有完全熔融,形成了铸造冷 隔[４],在断口 上 表 现 为 大 片 状 的 熔 融 区 域 和 较 多 的球状自由面,这些位置都没有明显的冶金熔合, 这会明显地 削 弱 该 区 域 的 结 构 强 度,在 刮 臂 未 压 平的状态下 进 行 装 配 时,臂 座 受 力 不 均 从 而 在 拧 紧过程中发生开裂. 

２．２ 缺陷形成原因及模流分析 

为进一步分析冷隔缺陷和缩松缺陷形成的原 因,对雨刮臂模具结构进行了分析.图５为失效雨 刮臂铸造过程中温度变化的模流分析图,可以看出 雨刮臂的浇铸是从刮臂杆部开始,开裂臂座区域已 经接近最后的浇铸区,在填充过程中始终温度较低, 这会降低铝液的流动性,同时由于臂座孔的存在,填 充铝液有个汇流的过程,较差的流动性可能导致汇 流区域两股铝液无法完全熔融,从而形成冷隔缺陷.

由于铸造缩松和冷隔也有可能发生在冷模阶 段,因此对冷模件后的零件进行了金相剖切检验. 目前雨刮臂冷模件的控制数量为８件,分别对１０组 冷模件后的第９~１５件进行类似剖切检查,在第９~ １４件上发现了４件雨刮臂存在明显铸造缩松缺陷, 第１５件上均未发现明显缩松和冷隔缺陷.

３ 结论及建议 

雨刮臂座存在冷隔缺陷和装配不当共同导致雨 刮臂座装配时发生开裂,其中冷隔缺陷是主要因素, 该冷隔缺陷是由于模具结构不合理及冷模件控制不 当造成的.

建议优化雨刮臂铸造模具结构,在臂座末端增 加排气道及排气板,同时在缺陷部位增加１条浇道 以增强补缩和提高末端浇铸温度,如图７所示;增加 冷模件的控制数量,从８件增加到１５件;装配现场 严格按照雨刮臂安装的产品数据管理(PDM)的要 求进行操作. 

参考文献: 

[１] 刘志莹,李云峰．雨刮臂座断裂失效分析[J]．中国铸 造装备与技术,２０１０(５):４６Ｇ４８． 

[２] 蒋良春．J１３车型前雨刮器刮刷失效分析及整改措施 [J]．企业科技与发展,２０１４(６):５０Ｇ５１． 

[３] 董婷,龚应时．汽 车 雨 刮 器 刮 杆 接 头 断 裂 失 效 分 析 [J]．理化检验(物理分册),２０１１,４７(１２):７９０Ｇ７９２． 

[４] 张涛,陈志军,王文豪,等．某超临界电站锅炉送风机 叶片 的 断 裂 原 因 分 析 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册), ２０１６,５２(７):４７９Ｇ４８３．

文章来源——材料与测试网