圖1 副車架支架

原標題：重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝在鋁合金底盤結(jié)構(gòu)件上的應用

摘要：介紹了采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝開發(fā)生產(chǎn)的鋁合金底盤結(jié)構(gòu)件。該底盤結(jié)構(gòu)件為某歐系豪華品牌底盤副車架支架，材質(zhì)選用ALSi7Mg0.3，重量約3 kg，尺寸范圍330 mm×260 mm×250 mm，最小壁厚為5 mm，最大壁厚達36 mm，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“L”形狀。通過采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝、加氫精煉處理、T6熱處理等工藝，實現(xiàn)了產(chǎn)品性能滿足屈服強度R p0.2 ≥190 MPa，抗拉強度R m ≥230 MPa，伸長率A 50 mm ≥3%，硬度HBW80～110的要求。

隨著汽車行業(yè)對輕量化的需求越來越大，底盤結(jié)構(gòu)件材質(zhì)逐步由傳統(tǒng)黑色金屬轉(zhuǎn)為有色金屬，并大量應用于轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪支架、控制臂、副車架等產(chǎn)品。其中鋁合金相比于傳統(tǒng)鋼鐵材料，具有密度小、質(zhì)量輕、鑄造加工性能優(yōu)良、耐腐蝕性能好、易回收再利用、在發(fā)生碰撞時會比鋼鐵材料吸收更多的碰撞能量等優(yōu)點，從而大量應用在底盤結(jié)構(gòu)件上。底盤結(jié)構(gòu)件主要起到受力和承載作用，并與多個零部件進行連接裝配，屬于汽車安全件。這類產(chǎn)品通常呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復雜、成形困難、力學性能要求嚴等特點，對制造工藝要求很高。當前行業(yè)多采用低壓鑄造、差壓鑄造、擠壓鑄造生產(chǎn)底盤結(jié)構(gòu)件。本產(chǎn)品通過采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，附加特殊的二次精煉處理，以滿足副車架支架產(chǎn)品性能，達到目標成品率，實現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)的要求。

1、產(chǎn)品介紹及性能指標

本底盤結(jié)構(gòu)件為不完全對稱的左右件，是某歐系豪華品牌底盤副車架支架產(chǎn)品，屬于安全件。產(chǎn)品重量約3 kg/件，尺寸規(guī)格330 mm×260 mm×250 mm，最小壁厚為5 mm，最大壁厚達36 mm，產(chǎn)品整體呈現(xiàn)四周厚大、中心薄壁的特殊結(jié)構(gòu)。通過采用重力傾注鑄造工藝開發(fā)，成品率可達90%以上，全年實現(xiàn)30萬件生產(chǎn)能力。副車架支架實物如圖1所示。

副車架支架材質(zhì)選用AlSi7Mg0.3，該合金具有流動性好、無熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等優(yōu)點，合金成分如表1所示。

表1 AlSi7Mg0.3鋁合金主要化學成分 wB/%

1.1 內(nèi)部質(zhì)量要求

副車架支架在生產(chǎn)過程中要求100%進行在線X光探傷，對內(nèi)部縮松、氣孔等缺陷進行判定。產(chǎn)品分為受力區(qū)域、功能區(qū)域和一般區(qū)域，不同區(qū)域的判定標準不同。對受力區(qū)域、功能區(qū)域要求單個缺陷直徑≤1 mm，孔隙率≤5%，對一般區(qū)域要求單個缺陷直徑≤3 mm，孔隙率≤5%。

1.2 表面質(zhì)量要求

副車架支架要進行100%外觀檢測，通過無損熒光滲透及人工裸眼檢查方式對鑄件表面的氣孔、裂縫、熱裂等缺陷進行判定。判定標準也按照受力區(qū)域、功能區(qū)域和一般區(qū)域劃分。依據(jù)DIN EN 1371標準，對于受力區(qū)域，要求檢測到的缺陷滿足SP1/CP1等級（SP代表非線性的獨立缺陷，CP代表非線性的聚集缺陷）。對于功能區(qū)域、一般區(qū)域，要求檢測到的缺陷滿足SP2/CP2/AP2等級（AP代表排列成行的缺陷），缺陷最大深度可為0.5 mm，但不允許存在熱裂紋、熱撕裂和雜質(zhì)嵌入物。

1.3 力學性能要求

因為副車架支架服役的工況沒有轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架惡劣，所以力學性能與轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架相比較低。采用鑄件本體取樣進行檢測，取樣位置選擇在受力區(qū)域，具體標準為屈服強度R p0.2 ≥190 MPa，抗拉強度R m ≥230 MPa，伸長率A 50 mm ≥3%，硬度HBW80～110。

2、工藝設計

副車架支架生產(chǎn)的工藝流程為：鋁液熔煉-鋁液二次精煉-重力傾轉(zhuǎn)鑄造-切邊、去除澆道冒口-在線X光探傷-T6熱處理-校正-裂紋檢測-加工-清洗-裝配-打包。

2.1 鋁液精煉及加氫處理

鋁合金鑄件從澆注溫度冷卻到室溫的凝固過程中都會產(chǎn)生收縮傾向，而收縮的方式由合金的成分、氣體含量和冷卻時的傳熱條件所決定，凝固過程中鑄件內(nèi)部氣體的逸出也常常影響縮孔的產(chǎn)生。在一些鑄件生產(chǎn)中，為防止出現(xiàn)局部縮孔缺陷，在鑄造前有意向熔融金屬液中引入氣體，如汽車排氣歧管、車輪等產(chǎn)品已有批量應用。

根據(jù)行業(yè)研究結(jié)果，在補縮條件較差的鋁合金鑄件中，為了防止較大縮孔的形成，取而代之形成均勻彌散的氣孔，可以向合金中引入一定量的氫氣，加入量取決于具體合金的成分，并與該合金的液相線溫度有關(guān)。氫是液態(tài)鋁中最易溶解的氣體，且溶解度很大，并隨著溫度的升高而增大。氫在鋁液相及固相中的溶解度分別為0.65 cm 3 /100 gAl和0.034 cm 3 /100 gAl，即氫在液固兩相中的溶解度相差19倍，但氫幾乎不溶于固態(tài)鋁。

在鋁合金中加入氫氣之所以能夠降低縮孔缺陷，從微觀角度看，主要原因是當液體合金進入金屬型模具開始凝固時，因模具對合金的快速激冷而產(chǎn)生的體收縮，在無補縮通道及合金中含氣量特別低時，孤立的液體在收縮產(chǎn)生的流體靜張力的主要影響下出現(xiàn)單一生核，并在隨后的收縮中形成大孔洞。但如果在凝固的后階段增加液體靜張力或含氣量，則生核可以在多處進行，但這取決于核心所占據(jù)的核心位置和金屬中初始含氣量。初始的單一孔洞和經(jīng)生核而后長大的孔洞相比，具有生產(chǎn)優(yōu)越性，所以，在合金含氣量較低時，鑄件中將形成一個較大縮孔。但是，當合金中初始含氣量進一步增加時，在收縮和氣體析出的共同作用下，多核形成傾向增加，導致大的縮孔減少，取而代之形成大量的小氣孔，且在某一臨界含氣量下，鑄件會只出現(xiàn)多核現(xiàn)象，即大縮孔消失，全部為均勻的小氣孔。

本產(chǎn)品采用金屬型重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，為了降低鑄件縮松傾向，利用上述原理將鋁液處理工序分為兩步進行。第一步首先采用旋轉(zhuǎn)除氣機，使用高純氬氣對鋁液進行除氣除渣，除氣后使用在線密度儀進行密度檢測。除氣除渣合格后，再次對鋁液進行第二步處理，同樣使用旋轉(zhuǎn)除氣機，但向鋁液通入氫氮混合氣而實現(xiàn)加氫處理。第二步加氫結(jié)束后，使用在線密度儀、測氫儀進行檢測，合格后方能進行澆注。生產(chǎn)過程中需保證鋁液存放時間不超過2 h。

通過向熔融金屬液中加入氫氣，較大的縮松 （縮孔或孔洞 ）消失，而被均勻彌散分布的氣孔所代替，如圖2所示，滿足副車架支架內(nèi)部質(zhì)量要求。

圖2 加氫后形成均勻分布的氣孔

2.2 鑄造工藝設計

采用重力傾轉(zhuǎn)澆注方式可以有效減小鋁液進入模具型腔后的落差，減少鋁液飛濺時產(chǎn)生的氧化夾渣，同時可以避免出現(xiàn)裹氣現(xiàn)象（圖3）。該生產(chǎn)工藝在國際上是成熟先進的澆注工藝，已在鋁合金氣缸蓋等產(chǎn)品大批量應用。生產(chǎn)過程中輔助穩(wěn)定可靠的自動化控制系統(tǒng)，大幅提高鑄件質(zhì)量、減少工人勞動量。該副車架支架為不完全對稱的左右件，鑄造模具采用一模兩件形式，對稱布置在模具型腔中，左右件居中設計成豎直主澆道，主澆道末端分出左右次澆道，分別對左右件進行獨立充型。因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中心薄壁、四周厚大的形式，對厚大部位分別設置冒口進行補縮，減少縮松傾向。采用MAGMA軟件進行充型、溫度、縮松缺陷等模擬優(yōu)化，最終工藝出品率為37.5%（產(chǎn)品重量除以鑄件、澆道、冒口等總重量）。

圖3 重力傾轉(zhuǎn)鑄造過程

澆注前先對模具采用天然氣預熱，模具溫度達到220～260 ℃ 時進行涂料噴涂。涂料種類有4種，包括底層涂料、型腔保溫涂料、澆道冒口保溫涂料、潤滑涂料。底層涂料目的是使模具具有更好的粘附性，提高型腔保溫涂層的使用壽命。底層涂料噴涂后，使用噴壺對鑄件成形部位噴涂型腔保溫涂料，型腔保溫涂料顆粒細小，滿足鑄件表面光潔度要求。在模具澆道、冒口位置涂上另一種保溫涂料，使用刷子人工刷涂，涂料厚度可以較厚以加大保溫性，提高補縮能力實現(xiàn)順序凝固。最后對模具的分型面、滑道部位噴涂潤滑涂料。采用多種涂料共同配合使用，確保鑄件質(zhì)量合格。

鋁液澆注溫度設定為（735±5）℃，整個澆注過程由自動傾轉(zhuǎn)澆注機和機器人配合完成。澆注機器人根據(jù)指令用澆勺從保溫爐中取鋁，倒入模具澆口杯中，澆注機帶動模具傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)速度6 s/90°，鋁液沿著金屬型從澆口杯中平穩(wěn)流入模具型腔。充型結(jié)束后開始進行冷卻。模具內(nèi)部設計22路冷卻水路對局部位置進行點冷，冷卻水溫度為10～30 ℃，流量3～6 LPM，壓力2～4 bar。同時為了保證實現(xiàn)順序凝固，需對模具局部進行加熱。充型冷卻時間為145 s，冷卻后澆注機恢復水平位置，模具開模，澆注全過程時間約300 s/模次。每套模具一次生產(chǎn)1件左支架和1件右支架，凝固后由機械手從模具中取出鑄件后自動送至清理單元。

清理單元內(nèi)的機器人抓取冷卻后鑄件送至冷卻水槽內(nèi)進行冷卻，冷卻至常溫后，由機器人抓取鑄件送至帶切邊機去冒口、鋸機去除澆道，然后在鑄件上打印二維碼和明碼數(shù)字，從而實現(xiàn)對鑄件的身份定義，澆注工藝信息上傳至IT服務器，保證產(chǎn)品具備可追溯性。整個澆注清理過程中操作者只需對模具進行手工噴涂和清理，其他所有動作均由設備根據(jù)程序設定自行控制完成，大幅減少了操作者勞動強度。

2.3 熱處理工藝

副車架支架采用T6熱處理工藝，熱處理爐為通過式熱處理爐，在固溶處理后進行淬火處理，淬火介質(zhì)為水，淬火后待鑄件冷卻后進行人工校正，先將鑄件放置在尺寸檢測儀上進行尺寸檢測，測量鑄件變形量，根據(jù)檢測結(jié)果對鑄件變形位置進行校正，校正后的鑄件再次進行尺寸檢測，確認合格后，送入時效爐進行時效處理。熱處理工藝如表2所示。

表2 T6熱處理工藝

熱處理料框需進行特殊設計，對鑄件易變形位置進行定位和支撐，防止鑄件在高溫處理過程中變形，同時要保證鑄件在熱處理過程中受熱均勻、便于操作者上下料，定位工裝如圖4所示。時效后進行力學性能檢測，熱處理不合格的鑄件最多允許重復進行3次熱處理。熱處理、校正全過程需對鑄件掃描追溯，儲存工藝信息。

圖4 熱處理定位工裝

3、鑄件性能分析

3.1 X 光探傷結(jié)果

采用在線X光探傷機，設定多個探測角度，覆蓋到鑄件全部位置，通過合理設計澆注系統(tǒng)、冷卻水路、模具溫度，以及優(yōu)化涂料噴涂工藝，鑄件受力區(qū)域、功能區(qū)域和一般區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量合格，滿足產(chǎn)品要求。

3.2 金相檢測及孔隙率

鑄件本體取樣，圖5為在金相顯微鏡下觀察的金相組織，可以看到α-Al枝晶大小均勻，共晶硅中細小顆粒狀，組織變質(zhì)及熱處理正常，個別視場有較小的圓形第二相，有條狀、塊片狀等不規(guī)則形態(tài)的第二相，均勻分散分布。

圖5 金相組織

因采用加氫處理工藝，鑄件內(nèi)部分布細小氫孔，通過金相顯微鏡判定氣孔分布狀態(tài)，結(jié)果表明氣孔分布均勻，滿足單個孔徑缺陷及孔隙率要求，如圖6所示。

圖6 氣孔分布狀態(tài)

3.3 力學性能

力學試樣從鑄件本體取樣，每個鑄件取2根力學試棒。使用Zwick Z100 電子萬能材料試驗機進行檢測，試驗條件參照GB/T228 A224，彈性模量測量速度0.000 25/s，屈服點及屈服范圍速度0.000 25 /s，試驗速度0.006 7/s，室溫（23±5）℃。試樣標準參照DIN50125-A5×25（圖7）。硬度檢測樣品和拉伸試棒取自同一鑄件，試驗條件參照GB/T231.1—2009。經(jīng)T6熱處理后，副車架力學性能能夠滿足產(chǎn)品要求，檢測結(jié)果如表3所示。

圖7 拉伸試樣示意圖

表3 力學試樣檢測結(jié)果

3.4 功能試驗

加工后的副車架支架進行螺栓裝配，與副車架及周邊伴隨件組成副車架總成，進行臺架試驗。臺架試驗包括發(fā)動機軸承試驗、穩(wěn)定器連接試驗、縱向受力試驗、橫向受力試驗以及螺栓連接試驗。經(jīng)過額定載荷及試驗輪次，副車架支架未發(fā)現(xiàn)斷裂、局部裂紋等缺陷，通過試驗認可。副車架支架進行整車碰撞試驗和典型工況試驗，滿足實驗要求，產(chǎn)品性能合格。

4、結(jié)束語

（1）副車架支架為底盤安全件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，鑄造成形困難，對內(nèi)部質(zhì)量、力學性能要求嚴格，采用金屬型重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝及T6熱處理完成產(chǎn)品開發(fā)，鑄件質(zhì)量、尺寸精度和力學性能均滿足要求，成品率達90%以上。

（2）采用國內(nèi)外先進工裝裝備，實現(xiàn)關(guān)鍵工序自動化控制，所有工序均可實現(xiàn)工藝參數(shù)記錄與上傳，滿足底盤安全件信息追溯要求，質(zhì)量保證能力達到國際領(lǐng)先水平，已累計向客戶交付80余萬件。

作者：
張云峰 叢培軍 張鵬 吳賀
趙勇箭 趙建鋒 魯曉帆
一汽鑄造有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2021年第8期第70卷