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新型真空高壓鑄鋁車身結構件的材料研發

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新型真空高壓鑄鋁車身結構件的材料研發

發布日期:2018-06-19 作者: 點擊:

新型真空高壓鑄鋁車身結構件的材料研發

隨著人們對環保和乘用車輕量化需求的日益 增長,傳統車身結構件的弊端也日益顯現。傳統的 車身結構件,一般是用結構鋼板,沖壓成型后進行焊 接,或使用緊固件連接。這樣的結構重量大,連接點 多,需要多道工序才能獲得復雜的車身結構。


如改用輕合金薄壁大型鑄件,一方面可取得顯 著的減重效果;另一方面,由于只使用一個零件即可 獲得復雜的結構,從而減少了成型和連接環節。


據此,為某高級轎車設計開發的新型零件 “Shock Tower”,就是以減重為主要目標,并將復雜 的結構通過鑄造一體成型的全新設計。Shock Tower 又可稱為前輪罩,它是連接車身和底盤的重 要結構件。其形狀,三維均約500 mm, 絕大部分部位壁厚僅約 3 mm。

Shock Tower 除了強度要求外(抗拉≥180 MPa, 屈服≥120 MPa),也涉及到多種連接技術,特別是一 些鉚釘的連接,如圖2 所示,要求材料具備至少10% 的斷后伸長率,否則將產生不可接受的開裂。

1 選材策略

汽車行業常見鑄鋁工藝的分析


目前汽車行業常用的鑄鋁件,主要是通過高、 低壓鑄造獲得的,傳統的重力澆注反而不多。


對于 Shock Tower 這樣形狀復雜的大型薄壁 件,如果采用重力或低壓鑄造,因為充型速度有 限,鋁湯將在金屬模的快速冷卻下,在充型完成前即大量凝固,從而造成澆不足或冷隔等缺陷。


高壓鑄鋁件(以下簡稱“壓鑄件”),是將鋁湯 在大噸位的壓機推動下完成充型,然后在金屬模 中快速凝固,以獲得細小的晶粒和較高的強硬度。 其特點是成型好、凝固快、工作效率高、強硬度高, 但普遍缺點就是脆性大,一般斷后伸長率都低 于 3%。

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使用凝固潛熱高的鋁硅合金高壓鑄造 Shock Tower,可以給鋁湯提供足夠的充型速度和凝固時 間以保證充型。但 10% 的斷后伸長率要求,對于 壓鑄件而言是前所未有的挑戰。一般鋁硅合金可 通過變質和熱處理來改善共晶硅相(以下簡稱“硅 相”),使針片狀的硅相圓潤,來提高塑性。但對于 壓鑄件,還存在以下兩個問題。


金屬模薄壁件凝固速度快,會影響變質效果; 壓鑄件在充型時,鋁湯會裹入大量氣體,除產生氣 孔外,還會在后期熱處理時發生鑄件近表面氣泡 鼓起問題,如圖 3 所示。這是因為鑄件凝固后再 進行熱處理,氣孔將因高溫而膨脹,合金也因高溫 而軟化。而此時已沒有凝固時的金屬模劑阻擋,于是容易在鑄件表面形成鼓包。嚴重的鼓包,除 影響外觀外,也將在受載時成為應力集中點,可能 導致裂紋從鼓包處起源。所以傳統壓鑄件一般不 進行熱處理操作。選擇合適的壓鑄脫模劑也是影響鑄件表面的關鍵因素。


1.2 突破傳統的真空高壓鑄鋁


將壓鑄模劑抽為真空,就可以顯著減少充型 時裹入的氣體。這樣在凝固成型后再對零件進行 固溶和人工時效熱處理,可不發生鼓包問題。而 此時因為硅相經熱處理后顆粒更圓潤,從而可以 顯著提高材料塑性,達到斷后伸長率設計指標。


這樣的真空高壓鑄造件,除保留了壓鑄件固 有的優點外,還可以適用鉚接、焊接(同樣因裹入 氣體會造成焊接氣孔和鼓包)等更靈活的連接方 式,用于要求高塑性、韌性等多種受載場合,是對 壓鑄工藝具有歷史意義的革新。


材料成形與模劑技術國家重 點實驗室也成功地使用鋁鎂合金 ZL101 - T6 完成 了真空壓鑄件的試制。其后研發的某轎車底盤 件,斷后伸長率可達 7. 3%,是國內非常成功的范 例。但需大批量生產 10% 以上的真空壓鑄件,在 國內尚鮮有先例。


2 成分設計


2.1 傳統壓鑄件的成分特點


為保障充型能力、抗熱裂和減少縮孔,傳統壓 鑄件一般選用高硅的鋁合金。同時為進一步提高 強度,銅和鎂元素也是經常添加的。


鎂元素與硅形成的Mg2Si硬質相,需通過適當 的熱處理,才能起到良好的強化作用。而Al2Cu硬質相,即使不進行熱處理也能起到顯著的強化 作用。所以傳統壓鑄件更多傾向于添加銅元素。


壓鑄件為減少粘模,鐵含量一般較高。但鐵 元素在鋁合金中易形成針狀脆性相, 也是導致壓鑄件脆性高的原因之一。

變質劑對硅相的變質效果如圖 5 所示。但由 于壓鑄件凝固速度快,會減弱變質作用。加上傳 統壓鑄件對塑性要求低,所以一般都不添加鍶等 變質劑。


2.2 真空壓鑄件改良元素的添加


由于 Shock Tower 對塑性要求高,其成分設計 應不同于傳統的壓鑄件。雖然為確保鑄造性能, 保持了以硅元素為主(硅含量取 8% ~12%,在真 空壓鑄條件下此含量的鑄造性能和強度都較 好 ),但進行了以下改良創新:


(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機械性能。


(2)通過添加鍶元素,對硅相形態進行先期的 改善。


(3)通過添加較多含量的錳元素,以減少含鐵 脆性相對機械性能的影響。


綜上所述,Z終制定的鋁合金牌號為:AL-C-D-Si10MnMg。具體成分指標因涉及公司技術機密,在此不予公開。


3 熱處理制度


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,特別是材料塑性,以達到斷后伸長率設計指標。


3.1 鑄造鋁合金一般熱處理方法


鑄造鋁合金的熱處理,是通過固溶和時效等 過程來改變鑄件的金相組織,控制強化相的形態、 大小、分布和數量,以獲得期望的材料性能的方法。按美國金屬手冊的定義,主要熱處理制度有:


T4:固溶熱處理后,沒有經受冷加工,通過室 溫時效使其機械性能穩定化。一般強度較低。


T5:從高溫成型工藝冷卻后,比如鑄造或擠壓 后,沒有經受冷加工,通過人工時效(沉淀熱處 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,并減少了淬火時的變形和殘余 應力。


T6:固溶熱處理后,沒有經受冷加工,通過人工時效(沉淀熱處理),而得到改善的機械性能和尺寸穩定性,往往是為了獲得Z高的強度。


T7:固溶熱處理后,通過人工時效(沉淀熱處 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、尺寸穩定性和抗應力腐蝕的能力。


3.2 Shock Tower 熱處理制度的確立


對于 Shock Tower,首先Z多的強化相是共晶 硅相。鑄造態(以下簡稱為“F”態)組織中的共晶 硅變質效果如因快速凝固而不夠理想,應通過適 當的熱處理,將共晶硅顆?;?、圓潤化。這樣降低 了尖銳組織的應力集中,可起到提高塑性和強度 的作用。


其次,對于鋁鎂硅合金,無論是鑄鋁合金還是 用于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 粗大的骨骼狀,如圖 6 左上圖所示。這樣的 Mg2Si 起到的作用更接近于脆性的夾雜物,很難對機械 性能有好的貢獻。


經過合適的熱處理,可以使 Mg2Si 在鋁基體中均勻彌散地分布,且顆粒細小, 一般用金相顯微鏡很難觀察到,。這樣的組織可強化基體,提高材料機械性能。



Shock Tower 有一定的強度要求,且塑性要求 非常高。先期的試驗發現T4強度太低,而T6塑性不能達標。且對于這樣的大型薄壁零件,如果 進行固溶處理,零件變形將非常嚴重。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,強度要求都能滿足,但 斷后伸長率僅 T7 狀態的才能穩定達標,。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,已很難找到針片狀的 共晶硅相,如圖 7 所示。雖然共晶硅相的長大會 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。


Z終 Shock Tower 選擇的熱處理制度是 T7,并 通過特殊的固溶淬火工藝和特制零件夾具系統, 解決了大型薄壁件在熱處理過程中的變形問題。 具體工藝參數細節因涉及公司技術機密,在此不 予公開。


4 零件試制驗證


通過 CAE 等手段進行了模劑設計,Z終完成 了實際鑄件,是相對較易產生內部缺陷的部位。


經 T7 熱處理后的 Shock Tower 樣件,除成分 和靜拉伸性能均符合設計指標外,零件表面也進 行了目視檢測,未發現鼓包缺陷。對設計要求區 域進行了 X - RAY 內部缺陷檢測,也均滿足 ASTM E505 - level 1 級水平,圖 10 即為 3#區域的 X - RAY 檢測照片


。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


本文根據新型車身結構件 Shock Tower 在減 重和機械性能等方面的設計要求,選用突破傳統的真空高壓鑄鋁工藝,并進行了相應的成分設計 和熱處理制定,成功完成了滿足零件設計要求的 高塑性壓鑄鋁材料研發。


本項目的研發成功,不僅是對傳統壓鑄工藝 的一次重大突破。對于乘用車輕量化結構設計, 使用輕金屬鑄件代替傳統鋼架結構,也給予了很 有價值的借鑒。


本文網址:http://www.erickaw.com/news/404.html

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