压铸高强韧铝合金汽车底盘结构件的组织与力学性能

 徐飞跃  安肇勇  万  里  汪学阳  廖仲杰  陈振字  余  亮

 （广东鸿图科技股份有限公司）

摘要针对某汽车铝合金结构件的压铸成形，应用数值模拟，以了解铝液流动充型状态与铸件缺陷的分布，优化了铸件的浇注系统与排气系统。在自主研发的高真空压铸技术基础上，研究了金属液充型时模具型腔真空度对铸件组织和性能的影响。结果表明，高真空压铸可以显著降低铸件的含气量，提高铸件致密度；与普通真空压铸相比，高真空压铸件的抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度分别提高了21%、29%、18%、10%。

关键词  结构件；高真空压铸；数值模拟；力学性能

中图分类号  TG249.2+1；U463.1 DOI:10.  159 80/j. tzzz. 2016. 06. 016

1  铸件的结构及开发技术要点

 某汽车底盘结构件见图1，其轮廓尺寸为677. 79mm×115. 40 mm×232. 42 mm，质量为2.6 kg，平均壁厚为3.5 mm，体积约为9.88×105 mm3。铸件投影面积为86 300 mm2，材质为Al-8Si-Mn-Mg合金。该铸件有多处厚壁热节部位，易形成缩孔。铸件外观品质要求：无明显的压铸流痕，不能有明显的龟裂纹，表面不能有气泡；铸件内部品质要求：一般铸造位置孔洞在声1mm以下，凸台、厚肉部位要求孔洞在声2 mm以下；铸件内部含气量要求：铸件填充末端指定部位每100 g铝含气量要低于15 m L，内浇口指定部位要低于10 m L;铸件力学性能（T5处理后）要求：抗拉强度为220 M Pa，屈服强度为150 M Pa，伸长率≥5%，冲击韧度≥6.0 J／cm2，螺纹拉伸试验M10≥60 k N，M12≥85 k N，硬度( HRB)为30;铸件耐疲劳试验要求：正常工况下，在指定点上承受6. 1～-4.8 k N的作用力，频率为2 Hz，循环20 000次不允许破损，试验工况下循环次数40 000次不允许有破损。根据以上要求，该铸件生产难度较大。

 在铸件开发过程中，为了缩短开发的周期，应用数值模拟软件进行分析，并参照实际生产参数，采取4种不同的浇注方式（见图2）。方案1和方案2采用梳形的浇注方式，方案3和方案4采用扇形的浇注方式；方案1与方案2相比，方案1采用进料较集中的方式而方案2采用进料较分散的方式；方案3与方案4相比，方案3的主横浇道较短而方案4的主横浇道较长。使用Magma软件对以上4种方案进行模拟分析。结果表明：方案1浇道过于平直，能量损耗大，并且内浇口进浇不同步，较乱；方案2填充时两侧流道卷气，凝固分析铸件两侧螺纹孔有收缩孔；方案3浇道过短，不利于高真空压铸工艺的应用；方案4铸件中间浇注处温度较高，该处模具冲蚀的可能性较大。从填充流态、凝固收缩、温度等综合考虑，方案4较优。

2  压铸工艺参数优化试验

 采用意德拉16 000 k N的卧式冷室压铸机进行生产，压铸机配有实时压射控制系统。

 真空阀为具有自主知识产权的液压式高真空截止阀（见图3），并配以高真空控制系统，实现型腔与压室双向抽真空；模具型面使用直径为10 mm的硅胶条密封（见图4）；模具冷却采用油性介质并配以热电偶精确模温控制；型芯针的冷却采用高压水质冷却；喷涂采用ABB机器人自动喷涂。

 试验材料采用高强韧的Al-8Si-Mn-Mg合金，具体化学成分见表1。

 为了获得最优的压铸机设置参数与高真空行程的组合，在设定铝合金温度为690℃，模温为200℃的条件下对7组参数组合进行了试验（见表2）。

 对铸件进行着色渗透检测，结果表明铸件表面无成形不良、冷隔、裂纹、鼓泡等缺陷（见图5）。

 用X光射线对铸件的内部品质检测，结果表明平板位置没有发现气缩孔，铸件的凸台、厚壁位置同样没有发现气孔、缩孔、缩松（见图6）。

 综合以上分析可知，慢压射速度为0.3 m/s，真空位置为480 mm，压铸速度为4.0～4.5 m/s，铸造压力为76 M Pa左右，快压射距离为620 mm是最佳参数组合。

3  力学性能测试与分析

3.1真空对压铸件组织和力学性能的影响

 表3为铸态下高真空压铸件和普通真空压铸件的性能对比。由表3可以看出，高真空(真空度为97k Pa)压铸件的密度较高，意味着压铸件内部含气量少。与普通真空（真空度为65 k Pa）压铸件相比，高真空压铸件的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别提高了21%、29%、18%、10%，表明高真空压铸对于提高结构件的力学性能具有较好的促进作用。

 图7为高真空压铸和普通真空压铸时的合金显微组织。无论是高真空压铸还是普通真空压铸，Al-8 Si-M n-Mg铝合金组织均由较为粗大的a1-Al和细小圆整的a2-Al，以及细小枝晶状的共晶Si等组成。虽然合金中的Fe含量较低，但仍可观测到少量颗粒状的富Fe相。由于压力铸造是在高温高压下，金属液以极短的时间填充型腔并凝固成形，这种较大的冷却速度可使液态金属获得较大的过冷度，从而增加了形核数，提高了形核速率，使共晶Si得到了细化，并抑制针片状AISiFe相的生成。由于真空度不高，在普通真空条件下，可观察到铸件内部存在非常细小的气孔缺陷。

3.2热处理对高真空压铸件性能和组织的影响

3. 2.1力学性能

 铸件需进行时效热处理，热处理条件为200℃×2h。然后对铸件的筋条指定位置（部位1、2、3）取样进行拉伸试验（见图8），结果见表4，可以看出，压铸件的力学性能随着压铸工艺不同而不同。

从表4可以看出，高真空压铸与普通真空压铸相比，抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度都有了明显的提高，其中抗拉强度提高了约21%，屈服强度提高了约29%，伸长率提高了约18%，硬度提高了约10%，由此可知，高真空压铸显著提高了压铸件的强度和硬度。

3.2.2冲击韧度

 对压铸件的筋条指定位置（部位1、2、3，该位置点为力学性能检测的位置取样点）进行冲击试验，从表5的试验结果可以看出，高真空压铸件的冲击韧度完全符合铸件的要求。

3.2.3螺纹拉拔

 对铸件的M10与M12螺纹孔进行螺纹拉拔试验，M10螺纹在66 k N、M12螺纹在85 k N作用下没有发生变化，表明高真空压铸件的螺纹完全符合受力要求。

3.2.4耐疲劳试验

 铸件经40 150次耐久性试验后，荧光检测显示铸件表面没有出现裂纹，结果表明高真空压铸件的耐疲劳性达到技术要求。

3.2.5含气量检测

 含气量测试见表2。从表6的试验结果可以看出，内浇口部位铸件本体每100 g A1的含气量在8.9 m L以下，水尾溢流槽部位铸件本体每100 g Al的含气量在12 m L以下，完全符合铸件要求。

4  结  论

 (1)应用数值模拟，优化了汽车底盘结构件的压铸成形工艺及高真空压铸工艺参数，制造出了外部、内部品质符合要求的高品质铸件。

 (2)高真空压铸可以明显改善结构件的力学性能。与普通压铸相比，高真空压铸时铸件致密度提高，铸件的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别提高了21%、29%、18%、10%。

 (3)铸件的耐久、拉拔、含气量检测结果均符合产品的技术要求，满足批量生产条件。