铝合金控制臂的轻量化设计及挤压铸造工艺

2016-06-08 10:56:31 安装信息网

单柯日黄长明刘建平

（上海喆瑞铸造科技有限公司）

摘要采用挤压铸造工艺生产Al-7 Si- Mg铝合金汽车控制臂，以期用挤压铸造代替锻造。结果表明，挤压铸造控制臂内部组织致密，晶粒细小，枝晶壁间距小于40 μm.；抗拉强度大于310 M Pa，屈服强度大于240 M Pa，伸长率达到12%，硬度(HB)为100左右；各项技术指标显著提高，生产成本降低，产品精度和生产效率提高。

关键词控制臂；Al-7 Si- Mg铝合金；挤压铸造；组织与性能

中图分类号TG146. 21; TG249.2 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 011

控制臂是汽车悬挂系统的导向和传力部件，材质多为锻造铝合金或是球墨铸铁。目前，锻造铝合金控制臂主要用在中高端车上，且铝合金控制臂比球墨铸铁和钣金焊接的控制臂质量轻，平稳和舒适性能更好。由此，控制臂（三角臂）、转向节等安全部件逐渐采用铝合金替代原球墨铸铁。

挤压铸造是铸造和模锻相结合的一种近净成形方法。目前，锻造同类控制臂比挤压铸件要重20%，而且从制坯、锻打、修边、整形、热处理到成品，成本也比挤压铸造工艺生产的控制臂高很多。

1 技术指标要求

1.1 力学性能要求及检测方法

控制臂取样部位见图1。取样后制成拉伸试棒，检测6个部位相关指标。本体取样，需满足以下要求：图1中部位①～部位⑤抗拉强度≥290 M Pa，屈服强度≥220 M Pa，伸长率≥8%，部位⑥硬度(HB)为80～120；热处理每炉须取样检测，参照热处理标准为AIAGCQI-9，OTS样件阶段为部位③～部位⑤，量产阶段为部位①和部位②。

1.2 内部组织及缺陷

控制臂内部缺陷要100%进行X射线检查，要求无金属夹杂物、无夹渣等，孔隙率按ASTM E-155要求优于2级验收。金相组织要求：共晶体必须呈现球状、钝化态，共晶Si球化、共晶体细小且分布均匀；显微组织二次枝晶间距( DAS)小于40μm。金相检测参照ASTM 1030标准。

2 产品工艺路线设计

控制臂的设计工艺流程为：前期模拟分析→模具设计制造→铸造前熔炼→挤压铸造→切浇冒口→X射线检测→T6热处理→外观检测。

2.1 工艺可行性分析和设计调整改善

通过前期的多次工艺模拟分析，对产品本身的结构设计做了一些调整，改善了补缩通道，同时也从理论上探讨了工艺方案的可行性，后期客户对本设计的产品结构进行了CAE分析和工艺模拟分析，结果完全满足要求，计算机模拟结果见图2。

2.2合金熔炼工艺

控制臂的材质为Al-7 Si- Mg铝合金，其化学成分见表1。

在Al-7Si-Mg铝合金中，Mg含量低时，会使合金抗拉强度和屈服强度下降，但伸长率增加。Fe含量超标对T6处理后的铸件强度有害。为此设定Mg含量为0．25%～0. 35%，Fe含量在原材料采购时要控制在0．08%以下。使用长效变质剂Al-10Sr中间合金进行变质处理，变质温度控制在730～740℃，经过多次试验确认S r的残存量大于0.01%为佳。采用高纯N2精炼除气，气体流量为0．25～0.5m3／h，除气转子速度为360～400 r／min，压力为0．25～0. 50 M Pa，除气时间为15 min，精炼温度为730～740℃，静置时间为10 min，精炼剂加入量为0.3%～0.5%。精炼结束抽真空后的合金密度为2.6 g/cm3。

2.3挤压铸造模具设计

采用的斜导柱抽芯计算式、液压抽芯计算式及斜导柱和液压抽芯组合计算式为：

根据整个控制臂铸件树的用料量和设备的固有送料能力，选用直径为110 mm的冲头，同时确认挤压铸造压力在理论范围之内，见图3。

在模具设计过程中，考虑各种因素对铸件的影响，在尾段和中部各设计了一个局部挤压销，对铸件成形时进行局部挤压，以消除局部厚大部位可能产生的缺陷。模具共设计15条水路，水路冷却中心线与型腔表面的距离，为冷却孔道直径的1～2倍；冷却孔道间的中心距，为冷却孔道直径的3～5倍。浇注系统满足了顺序凝固原则，避免了缩孔、缩松。根据铸件工艺要求进行内浇口、溢流槽、排气槽设计。

考虑到内浇口填充最高速度为4.5 m/s，但尾端有一定增压，排气槽设计太大容易造成飞铝，太小容易导致产品气孔及成形不良等缺陷，采用排气块结构，起到了较好的效果。

2.4挤压铸造工艺参数及模具结构参数

挤压铸造控制臂各工艺参数及模具结构参数的选取见表2。