新(xin)型真空高壓鑄鋁(lv)車身(shen)結(jie)構(gou)件的材料研(yan)發

隨(sui)著人們(men)對(dui)環(huan)保和乘(cheng)用車輕量(liang)化需求的日(ri)益(yi) 增(zeng)長，傳(chuan)統車(che)身結構件的弊端(duan)也日益顯現(xian)。傳統的 車身結構件，一般是(shi)用(yong)結構鋼板，衝(chong)壓成型後進(jin)行焊 接，或(huo)使(shi)用緊固(gu)件(jian)連(lian)接。這樣的(de)結構重量大(da)，連接(jie)點(dian) 多(duo)，需要多(duo)道工序才能獲得複雜的車身結構。

如改(gai)用輕(qing)合金薄(bao)壁(bi)大型鑄(zhu)件，一方(fang)麵(mian)可取得顯 著的減重效果(guo);另一(yi)方麵，由於隻使用一個(ge)零(ling)件即可(ke) 獲得複雜(za)的結構，從而減少了成型(xing)和(he)連接環節(jie)。

據(ju)此，為(wei)某(mou)高(gao)級轎車設(she)計開(kai)發的新型零件 “Shock Tower”，就(jiu)是以減重為主要目標(biao)，並將複(fu)雜 的結構通過鑄造一體成型的全新設計。Shock Tower 又(you)可稱(cheng)為前輪(lun)罩(zhao)，它(ta)是連接車身和底盤(pan)的重 要結構件。其(qi)形狀，三(san)維(wei)均(jun)約500 mm， 絕(jue)大部(bu)分部位壁厚(hou)僅(jin)約(yue) 3 mm。

Shock Tower 除(chu)了(le)強度要(yao)求外(抗(kang)拉≥180 MPa， 屈服(fu)≥120 MPa)，也(ye)涉(she)及(ji)到(dao)多種(zhong)連接技術，特別(bie)是一 些鉚釘的連接，如圖(tu)2 所示，要求材料具備(bei)至(zhi)少10% 的斷(duan)後(hou)伸長率，否(fou)則(ze)將產(chan)生不可接受(shou)的開裂(lie)。

1 選材(cai)策略(lve)

汽車行(xing)業常(chang)見鑄鋁工藝的分(fen)析(xi)

目(mu)前汽(qi)車行業常用的鑄鋁件，主(zhu)要是通(tong)過(guo)高、 低壓鑄造獲得的，傳統的重力澆(jiao)注反(fan)而(er)不多。

對於 Shock Tower 這樣形(xing)狀(zhuang)複雜的大型薄壁 件，如果采(cai)用重力或低壓(ya)鑄造，因(yin)為充型速度(du)有 限(xian)，鋁湯將(jiang)在金屬模(mo)的快(kuai)速(su)冷卻下，在充(chong)型完成前即(ji)大量凝固，從而造成澆不足或冷(leng)隔(ge)等缺(que)陷。

高壓鑄鋁件(以下簡稱“壓鑄件”)，是將鋁湯(tang) 在大噸位的壓機推(tui)動下完(wan)成充型，然(ran)後在金屬(shu)模 中快速凝固，以(yi)獲得細(xi)小的晶粒和較高的強(qiang)硬度。 其特點是成型好(hao)、凝固快、工作效率(lv)高、強硬度高， 但普遍(bian)缺點就是脆性大，一般斷後伸長率都(dou)低 於 3%。

使用凝(ning)固潛熱(re)高的鋁矽(xi)合(he)金高壓鑄造(zao) Shock Tower，可以給鋁湯提(ti)供足(zu)夠(gou)的充型速度和凝固時(shi) 間(jian)以保證充型。但 10% 的斷後伸(shen)長(zhang)率要求，對於(yu) 壓鑄件而言是前所未(wei)有的挑(tiao)戰(zhan)。一般(ban)鋁矽合金(jin)可 通過變(bian)質(zhi)和熱處理(li)來改善共晶矽相(xiang)(以下簡(jian)稱“矽 相(xiang)”)，使針(zhen)片狀的矽相(xiang)圓潤，來提高塑性。但(dan)對於(yu) 壓鑄件，還存在以下兩個問題。

金屬模薄壁件凝固速度快，會影響(xiang)變質效(xiao)果; 壓鑄件在充型時，鋁湯會(hui)裹(guo)入大量氣(qi)體，除產生(sheng)氣 孔(kong)外，還會在後期(qi)熱處理時發生鑄件近(jin)表麵氣泡 鼓起問(wen)題(ti)，如(ru)圖 3 所示。這是因為鑄件凝固後再 進行熱處(chu)理，氣孔將因高溫而膨脹(zhang)，合金也因高溫 而軟化。而此(ci)時已(yi)沒(mei)有凝固時的金屬模劑阻(zu)擋(dang)，於是容(rong)易在鑄件表麵形成鼓包(bao)。嚴(yan)重的鼓包，除 影響外觀(guan)外(wai)，也將在受載(zai)時成為應(ying)力集中(zhong)點，可能(neng) 導(dao)致(zhi)裂紋(wen)從鼓(gu)包處起源(yuan)。所以傳統壓鑄件一般不 進行熱處(chu)理操(cao)作。選擇合適(shi)的壓鑄脫模劑也是影響鑄件表(biao)麵的關(guan)鍵因素。

1．2 突破傳統(tong)的真空高壓鑄鋁

將壓鑄模劑(ji)抽(chou)為真空，就可以顯(xian)著(zhu)減少(shao)充型 時裹入的氣體。這樣(yang)在凝固成型後再(zai)對零件進行 固溶和人工(gong)時效熱處理，可不發生鼓包問題。而 此時因為矽相經(jing)熱處理後顆(ke)粒更圓(yuan)潤(run)，從(cong)而可以 顯著提高材料塑性，達到斷後伸長率設計指(zhi)標。

這(zhe)樣的真空(kong)高壓鑄造件，除保留了壓鑄件固 有的優(you)點外，還(hai)可以適用鉚(liu)接、焊接(同樣因裹入 氣體(ti)會造成焊(han)接氣孔和鼓包)等更靈(ling)活(huo)的連接方 式，用於要求(qiu)高塑性、韌性等(deng)多種受載場(chang)合，是對 壓鑄工藝具(ju)有曆(li)史意(yi)義(yi)的革(ge)新。

材料成形與模劑技術國家(jia)重 點實(shi)驗(yan)室(shi)也成功地(di)使用鋁鎂(mei)合金 ZL101 － T6 完成 了真空壓鑄件的試(shi)製。其後研發的某轎(jiao)車底(di)盤 件，斷後伸長率可達 7． 3%，是國(guo)內非常成功(gong)的範 例(li)。但需大批量生產 10% 以上的真(zhen)空壓鑄件，在 國內尚(shang)鮮(xian)有先(xian)例(li)。

2 成分設計

2．1 傳統壓鑄件的成分特點

為保障(zhang)充型能力(li)、抗熱裂和減(jian)少縮(suo)孔，傳統壓 鑄件一般選(xuan)用高矽的鋁合金。同(tong)時為進一步(bu)提高 強度，銅和鎂元素也是經常添(tian)加的。

鎂元素與(yu)矽形成的Mg2Si硬(ying)質相，需通過適當(dang) 的熱處理，才能起(qi)到良好的強化作(zuo)用。而Al2Cu硬(ying)質相，即使不進行熱處理也能起到顯著的強化(hua) 作用。所(suo)以傳統壓鑄件更(geng)多傾(qing)向於添加銅(tong)元素。

壓鑄件為減少粘模，鐵(tie)含(han)量一般較高。但鐵 元素在鋁合金中易形成針狀脆(cui)性相， 也是導致壓鑄件脆性高的原(yuan)因之(zhi)一。

變質劑對矽相的變質效果如圖 5 所示。但由 於壓鑄件凝固速度快，會減弱變質作用。加上(shang)傳 統壓鑄件對塑(su)性要求低(di)，所以一般都不添加鍶等 變質劑。

2．2 真空壓鑄件改良元素(su)的添加

由於 Shock Tower 對塑性要求高，其成分設計(ji) 應不同於傳統的壓鑄件。雖(sui)然為確保(bao)鑄造性(xing)能， 保持了以矽元素為主(矽含量取(qu) 8% ～12%，在真 空壓鑄條件下此含量的鑄造性能和強度都較(jiao) 好 )，但進行了以下改良(liang)創(chuang)新:

(1)銅元素降低了塑性，改為以鎂元素為主要 強化元素，通過熱處理獲得所需(xu)機械性能。

(2)通過添加鍶元(yuan)素，對矽相形態進行先期的 改善(shan)。

(3)通過添加較多含量的錳元素，以減少含鐵 脆性相對機械(xie)性能的影(ying)響。

綜(zong)上所述，最終製(zhi)定的鋁合金牌(pai)號(hao)為:AL－C－D－Si10MnMg。具體成分指標因涉及公司(si)技術(shu)機密(mi)，在此不予(yu)公開。

3 熱處理製度

雖然從成分設計上進行了變質處理，但還是需要對Shock Tower進行熱處理，才能進一步提高性 能，特(te)別是材料(liao)塑性，以達到斷後伸長率設計指標。

3．1 鑄造鋁合金一般熱處理方法

鑄造鋁合金的熱處理，是通過固溶(rong)和時效等 過程來(lai)改變鑄件的金相組織(zhi)，控製強化相的形態、 大小、分布和數量，以獲得期望的材料性能的方法(fa)。按美國金屬手冊的定義，主要熱處理製度有:

T4:固溶熱處理後，沒有經受冷加(jia)工，通過室 溫時效使其機械性能穩定(ding)化。一般強度較低。

T5:從高溫(wen)成型工藝冷卻(que)後，比如鑄造或擠(ji)壓 後，沒有經受冷加工，通過人工時效(沉(chen)澱(dian)熱處 理)，而得到改善的機械性能和尺寸穩定性，能獲 得較高的強度。特別是沒有經過固溶處理，節約 了能源、時間，並(bing)減少了淬(cui)火時的變形和殘(can)餘(yu) 應力。

T6:固溶熱處理後，沒有經受冷加工，通過人工時效(沉澱熱處理)，而得到改善的機(ji)械性能和尺(chi)寸穩(wen)定性，往(wang)往是為了獲(huo)得最(zui)高的強度。

T7:固溶熱處理後，通過人工時效(沉澱熱處 理)達到過時效的程度。穩定化熱處理雖然會使 強度下降，但可提高塑性、尺寸(cun)穩定性和抗應力腐蝕(shi)的能力。

3．2 Shock Tower 熱處理製度的確(que)立(li)

對於 Shock Tower，首(shou)先最多的強化相是共晶(jing) 矽相。鑄造態(tai)(以下簡稱為“F”態(tai))組織中的共晶 矽變質效果如因快速凝固而不夠理想，應通過適 當的熱處理，將共(gong)晶矽顆粒(li)化、圓潤化。這樣降(jiang)低 了尖銳(rui)組織的應力集(ji)中，可起到提高塑性和強度 的作用。

其次(ci)，對於鋁鎂矽合金，無論(lun)是鑄鋁合金還是 用於塑性變形加工的變形鋁合金，Mg2Si 也是其主 要的強化相。未經熱處理的 Mg2Si往往較集結，呈 粗大的骨(gu)骼(ge)狀，如圖 6 左上圖所示(shi)。這樣的 Mg2Si 起到的作用更接近於脆性的夾雜物(wu)，很(hen)難對機械 性能有好的貢獻。

經過合適的熱處理，可以使 Mg2Si 在鋁基(ji)體中均勻(yun)彌散(san)地分布，且顆粒細小， 一般用金相顯微(wei)鏡(jing)很難觀察到，。這樣的組(zu)織可強化基體，提高材料機械性能。

Shock Tower 有一定的強度要求，且(qie)塑性要求 非常高。先期的試驗發現T4強度太(tai)低，而T6塑性不(bu)能達標。且對於這樣的大型薄壁零件，如果 進行固溶處理，零件變形將非(fei)常嚴重。T7 雖然要 固溶，但強度和塑性都能滿足設計。與不用固溶 處理的 F 和 T5 狀態相比(bi)，強度要求都能滿足，但 斷後伸長率僅 T7 狀態的才能穩定達(da)標，。通過金相組織可以看到，經變質處理的真空 壓鑄件，再進行 T7 熱處理，已很難(nan)找到針片狀的 共晶矽相，如圖 7 所示。雖然共晶矽相的長大會 造成強度的下降，但圓潤的形態將顯著提高材料 塑性變形能力。

最終 Shock Tower 選擇(ze)的熱處理製度是 T7，並 通過特殊(shu)的固溶淬火工藝(yi)和特製零件夾具係(xi)統， 解決了大型薄壁件在熱處理過程中的變形問題。 具體工藝參數(shu)細節因涉及公司技術機密，在此不 予公開。

4 零件試製驗證

通過 CAE 等手(shou)段(duan)進行了模劑設計，最終(zhong)完成 了實際鑄件，是相對較易(yi)產生內(nei)部缺陷的部位(wei)。

經 T7 熱處理後的 Shock Tower 樣件，除成分 和靜(jing)拉(la)伸性能均符合設計指標外，零件表麵也進 行了目視檢測(ce)，未發現鼓包缺陷。對設計要求區 域進行了 X － ＲAY 內部缺陷檢(jian)測，也均滿(man)足 ASTM E505 － level 1 級水平(ping)，圖 10 即為 3#區域(yu)的 X － ＲAY 檢測照(zhao)片

。至此，真空高壓鑄鋁件 Shock Tower 的材料研發工作基本完成。

5 結語(yu)

本(ben)文根(gen)據新型車身結構件 Shock Tower 在減 重和機械性能等方麵的設計要求，選用突破(po)傳統的真空高壓鑄鋁工藝，並進行了相應的成分設計 和熱處理製定，成功完成了滿足零件設計要求的 高塑性壓鑄鋁材料研發。

本項(xiang)目的研發成功，不僅是對傳統壓鑄工藝 的一次重大突(tu)破。對於乘用車輕量化結構設計， 使用輕金屬鑄件代替(ti)傳統鋼(gang)架結構，也給予了很 有價(jia)值(zhi)的借(jie)鑒(jian)。