原標(biāo)題：低壓鑄造在新能源燃料電池箱體生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘要:針對(duì)新能源燃料電池箱體薄壁鑄件，設(shè)計(jì)了鑄件的低壓鑄造工藝，研究了模具預(yù)熱溫度對(duì)鑄件的微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的鑄造工藝方案合理，鑄造工藝模擬仿真分析和實(shí)際鑄件均未發(fā)現(xiàn)澆不足、縮孔縮松等缺陷，可以滿足新能源燃料電池箱體的批量生產(chǎn)需求。在鑄造工藝不改變的情況下，通過調(diào)整模型的預(yù)熱溫度，不僅可以改變材料的組織性能，還對(duì)液態(tài)金屬成形性能有影響。

由于能源危機(jī)和環(huán)境治理的迫切需求，我國(guó)做出碳達(dá)峰碳中和的重大戰(zhàn)略決策。綠色環(huán)保的新能源在為各行業(yè)奠基的同時(shí)，也提升了工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展。燃料電池作為目前應(yīng)用廣泛的一種新能源，是將化學(xué)反應(yīng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谛履茉雌囈?guī)模化和產(chǎn)業(yè)化方面做出不可磨滅的貢獻(xiàn)。燃料電池箱體作為燃料電池的主體受力部件，對(duì)其綜合力學(xué)性能提出更高要求。

本研究基于燃料電池箱體鑄件，采用低壓鑄造方式進(jìn)行澆注成形。將鑄型安置于密封坩堝上方，通過壓縮空氣在熔融金屬的表面上施加壓力，從而迫使金屬液由升液管上升填充鑄型。采用低壓鑄造制備的鑄件組織致密，金屬收得率高。壓力作用下的液態(tài)金屬充型凝固后缺陷少，使其在生產(chǎn)大型薄壁復(fù)雜鑄件方面擁有極大優(yōu)勢(shì)。在鋁合金薄壁殼體生產(chǎn)中，縮松、縮孔缺陷更容易形成，導(dǎo)致鑄件的質(zhì)量得不到保證，材料的力學(xué)性能差，不能滿足結(jié)構(gòu)件的要求，因此目前針對(duì)這類鑄件低壓鑄造工藝應(yīng)用較多。但不同鑄件結(jié)構(gòu)的差別，鑄造工藝也存在較大的不同。本文主要研究低壓鑄造方式下金屬型不同預(yù)熱溫度對(duì)燃料電池箱體鑄件的影響，通過明晰新能源燃料電池箱體鑄件的低壓鑄造最優(yōu)工藝，為類似鑄件的生產(chǎn)提供參考。

1、鑄造前處理過程

1.1 鑄件材料準(zhǔn)備及鑄型預(yù)處理

鑄件材質(zhì)為A356鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。原料為工業(yè)純鋁、Al-20Si中間合金和Al-10Mg中間合金，利用電阻爐將工業(yè)純鋁和Al-20Si中間合金加熱至720 ℃熔化，加入Al-10Mg中間合金攪拌，然后分別加入變質(zhì)劑和精煉劑進(jìn)行變質(zhì)處理和除氣，完成A356合金的熔煉以備澆注。金屬鑄型采用球墨鑄鐵QT500-7材料，鑄型表面噴涂料，烘干后分別預(yù)熱至280 ℃、315 ℃、350 ℃。

表1 鑄件（A356合金）的化學(xué)成分 wB/%

1.2、澆注系統(tǒng)與工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，分型面設(shè)置在鑄件最大截面處，在底平面設(shè)置4個(gè)升液管，在鑄件頂部設(shè)置8個(gè)暗冒口。本工藝的設(shè)計(jì)理念為平穩(wěn)快速充型、順序梯度凝固。通過升液管設(shè)計(jì)，快速充型的同時(shí)仍能保證液面平穩(wěn)上升。再輔助以冒口設(shè)計(jì)，起到溢流集渣、排氣和改善凝固溫度場(chǎng)的作用。

圖1 澆注系統(tǒng)示意圖

整體模具框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，采用主體水平分型加四個(gè)方向抽芯的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)在于高效便捷，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

圖2 整體模具框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 低壓鑄造工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

采用某型低壓鑄造機(jī)；模板尺寸：2 500 mm×1 800 mm×1 600 mm；開模力：17 t；頂出力：30~35 t；坩堝容量：800 kg；模具結(jié)構(gòu)：四面抽芯、上抽芯頂出；升液管數(shù)量：4個(gè)。鋁液溫度：705~720 ℃；保溫爐氣氛溫度：740 ℃。低壓鑄造設(shè)備及分段充型加壓曲線如圖3所示，燃料電池箱體鑄件模具如圖4所示。

圖3 低壓鑄造設(shè)備及充型分段加壓曲線

圖4 燃料電池箱體鑄件模具

2、鑄件組織與性能檢測(cè)

鑄件進(jìn)行銑削加工去除表面余量。對(duì)試驗(yàn)鑄件表面進(jìn)行取樣，經(jīng)研磨拋光后制成金相試樣，利用金相顯微鏡對(duì)氣孔缺陷和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析觀察；進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試樣尺寸如圖5所示，斷口觀察使用掃描電子顯微鏡。

圖5 拉伸試樣

3、試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鑄型預(yù)熱溫度

不同模具預(yù)熱溫度下鑄件的微觀組織如圖6所示。結(jié)果顯示隨著溫度的增加，A356合金α-Al的枝晶間距變大，但沒有發(fā)現(xiàn)Si相形態(tài)的明顯改變，共晶Si相仍呈顆粒狀分布在白色樹枝狀α-Al固溶體周圍。一般情況下，初生α-Al越細(xì)小，變形過程中相界及晶界處位錯(cuò)塞積的數(shù)目越多，鑄件的強(qiáng)度越高。同時(shí)，細(xì)小的組織不僅提升其屈服強(qiáng)度，也使A356合金的塑韌性得以保證。因此，從微觀組織的角度來看，預(yù)測(cè)模具預(yù)熱溫度為280 ℃時(shí)，鑄件的綜合性能最佳。

圖6 不同模具預(yù)熱溫度下鑄件的微觀組織

圖7為不同鑄型預(yù)熱溫度下隨鑄試樣T6熱處理后的性能對(duì)比。結(jié)果顯示隨著預(yù)熱溫度的提升，A356鋁合金的綜合力學(xué)性能逐漸下降。斷裂強(qiáng)度從280 ℃預(yù)熱時(shí)的341 MPa，下降到350 ℃預(yù)熱的329 MPa；屈服強(qiáng)度則從311 MPa下降到301 MPa；伸長(zhǎng)率則由14.1%下降到8.5%。同時(shí)，拉伸斷口分析也證明280 ℃預(yù)熱下的斷口韌窩細(xì)小密集，而315 ℃預(yù)熱時(shí)韌窩尺寸增加，到350 ℃時(shí)則在斷口上發(fā)現(xiàn)部分解理面，表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂特征。力學(xué)性能的結(jié)果與微觀組織表現(xiàn)出一致性。

圖7 不同鑄型預(yù)熱溫度下A356合金拉伸性能對(duì)比結(jié)果及斷口分析

3.2 鑄件試制

根據(jù)上述分析結(jié)果，鑄件試制時(shí)選用的鑄型預(yù)熱溫度為280 ℃。但在實(shí)際鑄件的薄壁位置發(fā)現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷，如圖8所示。此時(shí)，鋁合金液尚未填滿型腔，且液流前沿即使匯流也無法焊合在一起。究其原因，是由于該位置的型腔較薄（約2.5 mm），這導(dǎo)致在鑄型預(yù)熱溫度為280 ℃時(shí)，鋁合金液在充型過程中的溫度下降較明顯。當(dāng)液流前沿到達(dá)該位置時(shí)，失去足夠的流動(dòng)性。所以就在燃料電池箱體的薄壁位置留下大量冶金缺陷。

圖8 鑄件上的缺陷

為了解決該問題，綜合考慮了鑄件力學(xué)性能和成形能力。將金屬型模具的預(yù)熱溫度提高到315 ℃，并基于數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鑄件進(jìn)行分析。如圖9a所示，鑄件的充型過程平穩(wěn)，無飛濺夾渣等行為。在圖9b中，給出了凝固階段符合順序凝固原則，自下而上，最后凝固區(qū)域位于冒口內(nèi)部，鑄件整體補(bǔ)縮良好。對(duì)鑄件的縮孔縮松缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖10所示。結(jié)果顯示燃料電池箱體鑄件的縮松/縮孔缺陷集中于冒口和澆道位置，因此可通過后期機(jī)加工去除。

圖9 鑄件數(shù)值模擬結(jié)果

圖10 鑄件缺陷預(yù)測(cè)

最終得到的合格鑄件如圖11a所示，鑄件毛坯表面質(zhì)量較為光滑，粗造度為Ra12.5，滿足圖紙粗造度Ra25.4要求，尺寸形狀與金屬鑄型一致，鑄件表面未發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷。鑄件金相組織如圖11b所示，可以看出凝固后鑄件組織致密，無氣孔缺陷。

圖11 鑄件表觀質(zhì)量和內(nèi)部組織

4、結(jié)束語

（1）設(shè)計(jì)了新能源燃料電池箱體的低壓鑄造工藝，并采用數(shù)值模擬分析和生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證了其可行性，所獲得的鑄件表面光滑，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在縮孔縮松和氣孔缺陷，符合新能源燃料電池箱體批量生產(chǎn)的要求。
（2）燃料電池箱體的鑄造工藝設(shè)計(jì)需綜合考慮鑄件力學(xué)性能和液態(tài)金屬的成形能力，在保證最小壁厚結(jié)構(gòu)完整鑄出的同時(shí)，通過降低模具預(yù)熱溫度來提高鑄件性能。本試制鑄件的最佳金屬型模具預(yù)熱溫度為315 ℃。

作者：
史開旺
無錫蠡湖增壓技術(shù)股份有限公司
文章來自：鑄造雜志