原標(biāo)題：基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓鑄汽車橫梁結(jié)構(gòu)件熱處理工藝開發(fā)及應(yīng)用

摘要：介紹了使用AlSi10MnMg合金材料的試棒進(jìn)行固溶和時(shí)效T7熱處理，通過minitab實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)優(yōu)化工具得出熱處理工藝參數(shù)與鑄件力學(xué)性能的影響關(guān)系模型以及最優(yōu)熱處理工藝參數(shù)，并通過高真空壓鑄汽車橫梁結(jié)構(gòu)件的本體切片驗(yàn)證確認(rèn)最優(yōu)參數(shù)組合的有效性。

隨著新能源電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展，車身結(jié)構(gòu)件趨向于大型化、薄壁化、高強(qiáng)度、高韌性。這些結(jié)構(gòu)件多使用鋁合金，使用高真空壓鑄成形，最后經(jīng)過熱處理得到輕量化和高強(qiáng)度于一體的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品。減震塔、縱梁、橫梁等車身結(jié)構(gòu)件的壓鑄和熱處理工藝有了大量的研究。研究表明，壓鑄件的力學(xué)性能與材料成分、內(nèi)部氣孔、熱處理工藝之間有著復(fù)雜的關(guān)系，如在一定的溫度條件下，適當(dāng)提高固溶溫度可以提高屈服強(qiáng)度，但卻使產(chǎn)品表面氣泡增多。不同組合的熱處理工藝和壓鑄件本身取樣都存在不穩(wěn)定的問題。因此，需要把合金成分、內(nèi)部品質(zhì)盡量固定下來去研究不同熱處理工藝參數(shù)對(duì)壓鑄件力學(xué)性能的影響關(guān)系，并明確具體的關(guān)系模型公式。

AlSi10MnMg鋁合金擁有良好的鑄造性能和力學(xué)性能，在薄壁、復(fù)雜的汽車結(jié)構(gòu)零件上被廣泛應(yīng)用，本課題結(jié)合一款汽車橫梁結(jié)構(gòu)件熱處理工藝開發(fā)，系統(tǒng)介紹使用同一壓鑄批次的標(biāo)準(zhǔn)試棒，在實(shí)際熱處理設(shè)備和產(chǎn)品可控的固溶、時(shí)效溫度和時(shí)間（生產(chǎn)效率）間，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，整理出最優(yōu)的熱處理工藝參數(shù)，為新產(chǎn)品熱處理工藝方案開發(fā)提供參考。

1、產(chǎn)品基本介紹

橫梁結(jié)構(gòu)件使用44 000 kN壓鑄機(jī)配合高真空進(jìn)行壓鑄。考慮其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部品質(zhì)的致密度和含氣量對(duì)試樣本體的力學(xué)性能影響較大，所以試樣本體需要取自于其水尾、中部和水口位附近。試樣本體通過線切割而成，見圖1。

試驗(yàn)用的試棒為A型拉伸試樣見圖2。試棒與壓鑄件同一批次壓鑄，不能彎曲和矯直。

圖1:本體試樣尺寸示意圖

圖2:拉伸試棒尺寸示意圖

為了保證試棒和壓鑄件熱處理工藝的一致性，需要一起放在同一熱處理工裝上，在熱處理連續(xù)爐進(jìn)行熱處理，使用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。力學(xué)性能要求見表1。

表1:鑄態(tài)下試樣本體和試棒的力學(xué)性能要求

2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在材料成分一定的前提下，壓鑄件內(nèi)部含氣量與力學(xué)性能呈反比關(guān)系， T7比T5,T6熱處理力學(xué)性能更優(yōu)。所以通過Minitab軟件使用兩水平（固溶溫度、固溶時(shí)間、風(fēng)淬、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間）設(shè)計(jì)，對(duì)T7熱處理工藝范圍內(nèi)設(shè)計(jì)變量見表2。

表2:T7熱處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量?jī)伤街翟O(shè)置

為了充分研究各個(gè)熱處理參數(shù)的交互作用對(duì)力學(xué)性能的影響，采取了五因子兩水平的全因子設(shè)計(jì)，且為了了解相互的彎曲位置，還進(jìn)一步選用CCD中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，所有的因子項(xiàng)均不混淆，見表3。

表3:全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了減少產(chǎn)品和熱處理工裝位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，直接使用同一批次的A型試棒進(jìn)行不同熱處理試驗(yàn)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)出的力學(xué)性能結(jié)果見表4。

表4:全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)分析

使用Minitab分別對(duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行所有項(xiàng)的因子分析，得出對(duì)各力學(xué)性能的Pareto圖見圖3~圖5，但因子分析結(jié)果均沒有出現(xiàn)P值，需要按Pareto圖進(jìn)行模型精簡(jiǎn)，騰出自由度并計(jì)算出殘差誤差，從而計(jì)算出P值。對(duì)抗拉強(qiáng)度只保留了D、A、C、E以及AE交互；對(duì)屈服強(qiáng)度只保留了D、A、C、E、AB、B；對(duì)伸長(zhǎng)率只保留了E、B；另外從圖3和圖4可知時(shí)效溫度D對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響最大，其次是固溶溫度A，從圖5可知時(shí)效時(shí)間E和固熔時(shí)間B對(duì)伸長(zhǎng)率影響最大。

圖3:所有項(xiàng)對(duì)抗拉強(qiáng)度響應(yīng)Pareto圖

圖4:所有項(xiàng)對(duì)屈服強(qiáng)度響應(yīng)Pareto圖

圖5:所有項(xiàng)對(duì)伸長(zhǎng)率響應(yīng)Pareto圖

2.3 試驗(yàn)優(yōu)化

因原試驗(yàn)是包含了中心點(diǎn)的全因子兩水平實(shí)驗(yàn)也得不到P值，精簡(jiǎn)模型后發(fā)現(xiàn)屈服的彎曲殘差誤差P為0，小于0.05，判斷為曲面效果顯著，但不清楚是那個(gè)因子產(chǎn)生這種曲面關(guān)系，所以整體模型還需要進(jìn)一步修改，在保留中心點(diǎn)的前提下增加軸點(diǎn)，增加的熱處理參數(shù)及力學(xué)性能見表5。

表5:增加軸點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和力學(xué)性能結(jié)果

加了軸點(diǎn)數(shù)據(jù)后，繼續(xù)用minitab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，把P大于0.05的進(jìn)行刪減精簡(jiǎn)得出各項(xiàng)力學(xué)性能的回歸模型如下：

抗拉強(qiáng)度=-197+0.801*固溶溫度-0.0367*固溶時(shí)間+5.29*風(fēng)淬+0.527*時(shí)效溫度+2.021*時(shí)效時(shí)間- 0.001645*時(shí)效溫度*時(shí)效溫度-0.00448*固溶溫度*時(shí)效時(shí)間-0.0375 固溶時(shí)間*風(fēng)淬

屈服強(qiáng)度=-236.8+0.453*固溶溫度+1.459*固溶時(shí)間+0.2926*時(shí)效溫度-0.00610*固熔時(shí)間*固溶時(shí)間

伸長(zhǎng)率=21.62+0.02780*固溶時(shí)間-0.04616*時(shí)效時(shí)間

響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)見表6，可以看出對(duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率進(jìn)行望大處理，下限設(shè)為試棒力學(xué)性能要求的最小值，目標(biāo)為各自的上限，最后得出最終精化模型的多響應(yīng)優(yōu)化見圖6。

表6:響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)

圖6:多響應(yīng)預(yù)測(cè)圖

由圖6可知，雖然精簡(jiǎn)模型后減少了很多不顯著的交互作用因子，提高了整體的復(fù)合合意性，但同樣會(huì)把可預(yù)測(cè)的熱處理參數(shù)范圍大大壓縮，一般定義復(fù)合合意性大于0.85以上認(rèn)為預(yù)測(cè)是有效的，所以該實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果存在預(yù)測(cè)范圍不大的不足之處。預(yù)測(cè)圖只可以用于最優(yōu)參數(shù)組合，即固溶溫度為483 ℃、固溶時(shí)間為125 min，風(fēng)淬風(fēng)量調(diào)至最大，時(shí)效溫度為240 ℃、時(shí)效時(shí)間為69 min。在下一輪試驗(yàn)中，可以適當(dāng)增大各因子的水平差異，加大試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子分析范圍。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

最后，使用2件(A,B)橫梁結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品和3條A型試棒(1#,2#,3#)用最優(yōu)的熱處理參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，按圖1位置(編號(hào)①、②、③)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行取本體切片和拉伸，萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)出的力學(xué)性能結(jié)果見表7。

表7:熱處理最優(yōu)參數(shù)本體切片和試棒力學(xué)性能結(jié)果

從表7可以看出，試棒的力學(xué)性能和試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的預(yù)測(cè)值接近，可以認(rèn)為模型是有效的，具有預(yù)測(cè)指導(dǎo)意義。另外試棒和本體切片都滿足產(chǎn)品的力學(xué)技術(shù)要求，且抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率顯著超過要求，可以結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化、節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量等需求進(jìn)一步優(yōu)化。

3、結(jié)論

（1）在T7熱處理工藝和材料成份相同條件下，可以用內(nèi)部質(zhì)量更加穩(wěn)定的試棒進(jìn)行更加準(zhǔn)確的力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，避免了實(shí)際產(chǎn)品因不同位置內(nèi)部質(zhì)量致密性不一致而力學(xué)性能的差異。

（2）T7熱處理工藝條件多，交互作用影響明顯，在條件允許前提下，盡量使用兩水平全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而有效識(shí)別不顯著的因子項(xiàng)，從而提高分析的準(zhǔn)確性。

（3）從兩水平的全因子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，時(shí)效溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響最大，其次是固溶溫度，而時(shí)效時(shí)間和固溶時(shí)間對(duì)伸長(zhǎng)率影響最大。

（4）精簡(jiǎn)模型后發(fā)現(xiàn)彎曲殘差誤差P為0，從而識(shí)別出各熱處理參數(shù)因子對(duì)力學(xué)性能存在曲面關(guān)系，這時(shí)就需要增加軸點(diǎn)，增加試驗(yàn)組合通過曲面響應(yīng)優(yōu)化得出可信的模型。

（5）用響應(yīng)優(yōu)化的最優(yōu)熱處理參數(shù)組合生產(chǎn)出的產(chǎn)品和試棒，和預(yù)測(cè)的力學(xué)性能差異不大，進(jìn)一步確認(rèn)模型的可信程度。

文章作者

陸淳佳 汪學(xué)陽(yáng) 朱宇 閆鋒 安肇勇
廣東鴻圖科技股份有限公司

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第11期