挤压铸造铝合金副车架的显微组织与力学性能

  杨青  姜银方  戴亚春  许若震  孟祥豹  孙珏

（1．江苏大学机械工程学院；2.苏州三基铸造装备股份有限公司）

摘要  使用间接挤压铸造工艺和立式SCV-20 000 kN挤压铸造机，生产了A356铝合金副车架。通过金相观察、力学性能测试和扫描电镜分析了副车架的显微组织和力学性能。结果表明，在浇注温度为690～710℃，压射比压为95 MPa，模具温度为240℃，保压时间为20 s时，铸件表面无铸造缺陷，内部组织致密。T6条件下，铸件的抗拉强度为291 MPa，伸长率为9. 2%，硬度(HBW)为96。台架试验证实挤压铸造汽车副车架疲劳性能符合要求，提高了整车的轻量化水平。

关键词  副车架；铝合金；挤压铸造；显微组织；力学性能

 副车架作为汽车底盘的关键结构件，其质量的好坏直接影响汽车安全性和可靠性。该铸件要求尺寸精度高，综合力学性能优良，确保汽车在行驶中的舒适性和安全性。

 若采用传统的冲压焊接式，刚度不足，前期设备投入成本高昂；而传统管梁式弯曲成形，材料的弯曲、形变量大。挤压铸造作为一种近净成形技术，广泛运用于家电、汽车、机械、军工以及航天航空领域，挤压铸件不但可以大幅减少缩孔、缩松等缺陷，而且晶粒细小、组织致密、力学性能优良、尺寸精度高，铸件可进行后续热处理，进一步提高铸件的力学性能。因此采用立式挤压铸造机对副车架进行间接挤压铸造研究，取得了较好的效果。

1  试验设备、参数选择和合金液制备

1.1试验设备与模具

 使用SCV-2000T立式间接挤压铸造机。动模和定模分别固定在挤压铸造机的中板和头板，由锁模系统和锁模套锁紧模具，由正下方的料筒（压室）伸入模具进行挤压铸造。

图1为模具结构示意图。试制过程如下：模具喷涂脱模剂并吹干，料筒喷石墨润滑剂并吹干；动模垂直向下运动，合模并锁模；汤勺舀合金液浇入料筒，料筒回正上行与浇口套贴死；压射系统带动冲头上行，将铝液挤入模具型腔并施加挤压力，保压至凝固；开模顶出铸件。

1.2合金液制备

试验所用A356铝合金的化学成分见表1。

 首先用熔炼炉将A356铝合金熔化，待铝液温度为730～740℃时，通入氮气精炼，接着用Al-Ti-B细化晶粒和Al-Sr中间合金做变质处理，变质温度约为720℃，之后打渣静置。

1.3试验参数选择

 试制过程中，铝液温度为690～710℃，压射比压为95 MPa，模具温度为240℃，保压时间为20 s，脱模剂为1：30的WT800溶液，料筒润滑为1：40的PF404水基石墨溶液。

2  试验结果

2.1  显微组织分析

图2为挤压铸造铝合金副车架及X射线探伤结果。可以看出，发现铸件外观无欠铸、冷隔等缺陷，表面光洁度和尺寸精度高，内部组织致密，无明显气孔、缩孔和缩松缺陷。

 因为该铸件是对称结构，所以只在一边进行取样（见图2a所示位置），经磨光、抛光、清洗之后，用体积分数为0. 4%的HF溶液浸蚀20 s，再用酒精清洗、吹干，并用Leica光学显微镜观察各试样的微观组织。

图3为铸件位置1～4的显微组织。从图3可以看出，组织主要有a-Al基体和分布在晶界的共晶Si相组成。常规铸造条件下，铸件最外层凝固收缩和模具受热膨胀，会出现缝隙，缝隙中存在高温空气，起保温作用，使得铸件凝固时间延长。而挤压铸造时，通过冲头向合金传递挤压力，强制铸件紧贴模具型腔，避免铸件与模具壁产生间隙，使有效面积更接近理论接触面积。有效面积增加而导致合金的凝固速度增大，另外压力使合金凝固过程中过冷度增大，合金形核率增大，从而细化晶粒。因此铸件微观组织晶粒细小，均匀致密，没有常规铸造（重力铸造等）铸件的粗大树枝晶，所以性能更优良。位置3最接近浇道，加压凝固过程中压力传递损失最小，承受挤压力最大，因此该处组织最致密，晶粒尺寸更细小。由于压力传递到位置2时，压力损失较大，故晶粒尺寸较大且分散，出现了二次枝晶。位置4离浇道最远，但由于处在局部加压边缘，因此压力损失并不明显，相对位置2，其晶粒尺寸要细小、均匀。

2.2  力学性能分析

根据铸件材质和性能要求，进行T6热处理，具体工艺：530℃×4h固溶处理+155℃×5h时效处理。在经过T6热处理铸件上取样，因为该铸件是对称结构，所以只在一边进行取样，用X射线进行探伤，避免取到含夹杂、气孔等缺陷的试样。按GB/T288-2002加工成拉伸试样，见图4。在图2中1～4位置处，每处取3个样（图2a所示位置），在WDW-100电子万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为2 mm／min，取平均值。在THBRV-187. 5D数显布洛维硬度计上分别测量位置1～4处硬度值，每个试样测量3次，取平均值。

铸件不同位置的力学性能见表2。结果表明，副车架在95 MPa挤压力下，平均抗拉强度为291 MPa，平均伸长率为9. 2%，平均硬度(HBW)为96，满足副车架性能要求。铸件力学性能受铸件晶粒细化度、枝晶间距和大小、共晶Si尺寸大小及分布、Mg：Si强化相数量等因素影响。共晶Si呈板条状或针状且分布不均匀则力学性能较差，若共晶Si呈细小粒状且分布越均匀，力学性能则越好。从图3和表2可看出，铸件晶粒组织越小，圆整度越好，力学性能越好。这是因为晶粒尺寸越小，单位面积上阻碍位错运动的晶界越多，故强度越高。位置3处离冲头最近，挤压力传递最好，故承受的挤压力最大，其晶粒最为细小，枝晶间距短，所以抗拉强度、伸长率和硬度最好；位置4处虽离冲头最远，但受到旁边局部加压的影响，晶粒大小均匀，故而力学性能较好；位置2处远离冲头，挤压力传递至此损失较大，冷却相对其他几处较慢，因此晶粒最为粗大，二次枝晶尺寸和间距大，从而该处力学性能较差。使用挤压铸造试制产品，铸件在高压下抑制了枝晶长大，晶粒细小均匀，基体连续性好，没有常规铸造的晶粒粗大，故而在一定程度上提高了铸件的力学性能。

图5为SEM-7001F型扫描电镜下观察到的试样拉伸断口形貌，所取断口为力学性能最接近平均水平的位置4。可以看出拉伸试样断口主要由解理面、撕裂棱和韧窝组成。断面内有较多解理台阶，解理台阶与解理台阶之间有韧窝带。断口韧窝均匀细小，有大量撕裂棱，表现为韧性断裂特征。

 利用MTS329整车道路模拟系统进行悬架系统8通道随机载荷谱激励疲劳试验，经历载荷谱500个循环试验后，产品表面无任何裂纹等缺陷，顺利通过耐久性台架试验。试验结果显示，挤压铸造汽车副车架符合其性能要求，提高了底盘及整车的轻量化水平。

3  结论

 (1)在浇注温度为690～710℃，压射比压为95MPa，模具温度为240口C，保压时间为20 s时，挤压铸造汽车铝合金副车架铸件外观无明显缺陷，内部组织致密。

 (2)挤压铸造汽车铝合金副车架铸件在T6态下综合力学性能优良，平均抗拉强度为291 MPa，平均伸长率为9. 2%，平均硬度(HBW)为96，满足副车架产品要求。