原標(biāo)題：半固態(tài)流變壓鑄鋁合金主軸承蓋

摘要：某發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋采用半固態(tài)鋁合金流變壓鑄工藝制造，相比原QT500-7球墨鑄鐵件減重45%，輕量化效果顯著，零件性能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)半固態(tài)鋁合金319S的材料性能和半固態(tài)壓鑄工藝特點(diǎn)，對主軸承蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)和工藝仿真優(yōu)化，采用三級(jí)固溶熱處理，得到的零件組織細(xì)密，力學(xué)性能高，內(nèi)部無氣孔、縮松等缺陷。零件通過一千萬次單體臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，具有良好的應(yīng)用前景。

鋁合金已在缸體、缸蓋、正時(shí)鏈輪殼、凸輪軸支座等殼體、支座類零件上使用。主軸承蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，通過螺栓將曲軸安裝在龍門式缸體上，對曲軸起導(dǎo)向與固定作用，需要承擔(dān)燃燒室爆發(fā)產(chǎn)生的壓力和曲軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，對強(qiáng)度和剛度要求較高，一般的鋁合金鑄件難以滿足零件要求。半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)，結(jié)合了半固態(tài)鑄造和傳統(tǒng)壓鑄的特點(diǎn)，生產(chǎn)效率高，鑄件表面光潔度高、尺寸精度高、力學(xué)性能優(yōu)良，可有效控制鑄件內(nèi)部縮孔、氣孔缺陷含量，可經(jīng)過熱處理提高強(qiáng)度，已部分應(yīng)用于汽車行業(yè)，但半固態(tài)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋的開發(fā)在國內(nèi)尚未見報(bào)道。

1、鋁合金主軸承蓋零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

選用高固相半固態(tài)流變壓鑄工藝制造主軸承蓋，半固態(tài)漿料固相率約為45%。主軸承蓋原型為某三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，為QT500-7球墨鑄鐵鑄造，單件質(zhì)量為289 g，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)搭載4件，改為半固態(tài)鋁合計(jì)鑄件后，采用了Al-Si-(Cu)-Mg系319S半固態(tài)鋁合金，并通過固溶和時(shí)效處理以提高性能，合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)測值見表1。

表1 319S鋁合金的化學(xué)成分（wb/%）

結(jié)合319S半固態(tài)鋁合金的性能典型值，目標(biāo)為抗拉強(qiáng)度≥390 MPa，屈服強(qiáng)度≥305 MPa，疲勞強(qiáng)度≥164 MPa，通過相應(yīng)熱處理工藝達(dá)到。由于319S的彈性模量、拉伸性能、疲勞性能都低于原球墨鑄鐵材料，需開展相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使其性能指標(biāo)滿足要求。

對半固態(tài)鋁合金主軸承蓋開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，主要包括靜強(qiáng)度分析、疲勞安全系數(shù)、接觸壓強(qiáng)、相對/絕對滑移量分析等。根據(jù)分析結(jié)果中的薄弱點(diǎn)不斷優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程見圖1。

圖1 半固態(tài)鋁合金主軸承蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化過程

通過擴(kuò)大排氣側(cè)的加強(qiáng)筋，并在進(jìn)氣側(cè)增加加強(qiáng)筋，解決了鋁合金主軸承蓋靜強(qiáng)度不足的問題，結(jié)構(gòu)特征見圖2；增高主軸承蓋的螺栓孔周圍的實(shí)體，增高量為5 mm，使鋁合金主軸承蓋相對滑移量達(dá)到設(shè)計(jì)要求；將兩螺栓孔之間填滿實(shí)體，見圖3，以提高零件剛度及疲勞性能，同時(shí)保證充型過程中漿料平穩(wěn)順序地由厚壁充型至薄壁區(qū)域，增強(qiáng)凝固時(shí)的高壓補(bǔ)縮效果。

圖2 QT500主軸承蓋和319S主軸承蓋的結(jié)構(gòu)對比

圖3 鋁合金主軸承蓋與鑄鐵主軸承蓋

對優(yōu)化后的最終數(shù)模采用ABAQUS軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度、接觸壓強(qiáng)、絕對滑移與相對滑移仿真計(jì)算，采用FEMFAT軟件MAX模塊進(jìn)行疲勞安全系數(shù)仿真計(jì)算，結(jié)果見表2，發(fā)現(xiàn)均滿足設(shè)計(jì)要求。其中，靜強(qiáng)度應(yīng)力最大值小于材料屈服強(qiáng)度（見圖4），疲勞安全系數(shù)大于1.1（見圖5），滑移量小于限值。

表2 319S鋁合金主軸承蓋結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖4 主軸承蓋靜強(qiáng)度分析最大應(yīng)力值

圖5 主軸承蓋疲勞安全系數(shù)（最薄弱處）

2、鋁合金主軸承蓋鑄造工藝仿真分析及優(yōu)化

為保證半固態(tài)壓鑄件順利成形，需要綜合考慮半固態(tài)金屬充型、凝固和脫模等問題。半固態(tài)漿料是非牛頓流體，其流動(dòng)特性和凝固特性與常規(guī)壓鑄漿料不同，具有剪切變稀的特性。為獲得良好的半固態(tài)壓鑄件，充型過程中漿料前沿應(yīng)保持平穩(wěn)順序充型，漿料內(nèi)部應(yīng)為層流充型，凝固過程中應(yīng)保證良好補(bǔ)縮，避免出現(xiàn)熱節(jié)。

對鑄件開展鑄造工藝CAE仿真分析。鑄件為一模兩件，模具材料設(shè)置為H13鋼，鑄件材料設(shè)置為自定義數(shù)據(jù)庫的半固態(tài)319S材料，主要物理性質(zhì)包括密度、熱膨脹系數(shù)、固相分?jǐn)?shù)、粘度等，均是溫度變化的函數(shù)。主要模擬參數(shù)見表3。

表3 半固態(tài)主軸承蓋鑄造CAE模擬參數(shù)

針對半固態(tài)鋁合金漿料充型溫度區(qū)間較窄，充型溫度較低的特點(diǎn)，澆口位置應(yīng)選取在鑄件的中心位置，以避免充型過程中漿料流動(dòng)距離過長造成冷隔、澆不足等缺陷，有利于實(shí)現(xiàn)半固態(tài)壓鑄平穩(wěn)充型；鑄件中心位置的壁厚要和內(nèi)澆口配合，保證補(bǔ)縮通道連續(xù)性。鋁合金主軸承蓋的內(nèi)澆口開設(shè)在頂部中心位置，壁厚在裝配空間允許范圍內(nèi)增至最大。

主軸承蓋充型仿真結(jié)果見圖6，充型前沿的半固態(tài)金屬熔體保持了“層流”流動(dòng)，避免了湍流，平穩(wěn)均勻地充滿型腔。最后充型的位置設(shè)置渣包及時(shí)排渣。在橫澆道中部拐彎處設(shè)計(jì)一處角狀緩沖區(qū)，以改變澆道中半固態(tài)漿料的流速，保證漿料進(jìn)入內(nèi)澆口時(shí)前沿為平面。

圖6 充型仿真結(jié)果

經(jīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證該零件在半固態(tài)壓鑄充型之后實(shí)現(xiàn)順序凝固，即最后充型位置、零件、澆注系統(tǒng)依次凝固，這樣有利于實(shí)現(xiàn)充型之后的高壓補(bǔ)縮，提高產(chǎn)品致密度，消除縮孔縮松缺陷，溫度場分布仿真結(jié)果見圖7。

圖7 溫度場分布結(jié)果

3、鋁合金主軸承蓋鑄件試制

319S漿料通過旋轉(zhuǎn)熱焓平衡法（SEED法）制備，通過調(diào)整金屬熔體的澆注溫度、金屬坩堝旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)時(shí)間等制備固相率約45%的半固態(tài)坯料。產(chǎn)品在BUHLER 840T壓鑄機(jī)上試制，模具材質(zhì)為H13鋼。鑄件要求無裂紋、欠鑄、疏松、氣泡和任何穿透性缺陷，熱處理后不允許出現(xiàn)過燒組織。

結(jié)合鑄造工藝CAE模擬和現(xiàn)場壓鑄試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)為：慢速速度為0.15~0.25 m/s，二快速度為0.3~0.5 m/s，開始?jí)毫?4~36 MPa，建壓時(shí)間為0.02 s，工作壓力90~105 MPa，保壓時(shí)間為30 s。試制樣件見圖8，主軸承蓋毛坯質(zhì)量為180 g，機(jī)加后成品質(zhì)量為159 g，相比原鑄鐵件減重130 g，減重比例45%。

圖8 主軸承蓋試制樣件

采取三級(jí)固溶處理的熱處理方案，結(jié)合有關(guān)研究[4]，選擇（470 ℃×4 h）+（500 ℃×160 min）+（510 ℃×160 min）的三級(jí)固溶處理，然后自然時(shí)效12 h，人工時(shí)效170 ℃×10h的熱處理方案。由于該319S鋁合金在高溫固溶時(shí)，可能因工藝不當(dāng)或爐溫控制精度不夠，在晶界處出現(xiàn)過燒孔洞類缺陷，所以在熱處理過程中應(yīng)嚴(yán)格按照熱處理工藝參數(shù)執(zhí)行，并嚴(yán)格控制爐體實(shí)際溫度不超過設(shè)定值。

4、鋁合金主軸承蓋鑄件質(zhì)量檢測

從主軸承蓋成品毛坯上取樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 鑄件取樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從主軸承蓋上取樣，熱處理后金相組織見圖9，可以看出，α-Al相呈球狀，變質(zhì)正常，分布均勻，通過截線法計(jì)算晶粒大小為109.8 μm。共晶Si顆粒較為圓整，并均勻分布在初生α-Al晶界處，無針狀或大塊硅顆粒；平均Si顆粒尺寸小于8.0 μm，最大Si顆粒尺寸小于10.0μm。

圖9 半固態(tài)鋁合金主軸承蓋熱處理金相組織

對鑄件進(jìn)行X光探傷和熒光探傷檢驗(yàn)，結(jié)果顯示鑄件無氣孔、縮松等缺陷，符合要求，見圖10。

圖10 鑄件X光探傷和熒光探傷結(jié)果

5 鋁合金主軸承蓋臺(tái)架試驗(yàn)

參考JB/T 13203 ，對半固態(tài)鋁合金主軸承蓋進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)在六路液壓油加載管路試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工裝示意圖見11。試驗(yàn)將主軸承蓋、螺栓、定位環(huán)和主軸瓦按實(shí)際工況裝配在缸體上，并通過模擬活塞、連桿及曲軸與試驗(yàn)臺(tái)裝配。

圖11 鋁合金主軸承蓋臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)基數(shù)107次，失效判據(jù)為樣件在試驗(yàn)載荷作用下明顯破壞，如產(chǎn)生局部斷裂或有裂紋產(chǎn)生。加載順序?yàn)?-2-3缸順序加載，加載相位間隔120°，加載波形為正弦波，加載頻率10 Hz，加載幅值為1.5倍缸壓，即15.75  MPa，加載壓力峰值為(15.75±0.1)MPa，加載壓力谷值不大于0.63 MPa。載荷最終作用到主軸承座軸瓦面上，通過對連桿等貼應(yīng)變片測量確認(rèn)載荷傳遞是否有損失。經(jīng)測量，連桿應(yīng)力為78.8 MPa，判斷液壓加載腔內(nèi)脈動(dòng)載荷基本無損失的傳遞到模擬加載軸，最終加載至主軸承蓋。完成107次加載后，主軸承蓋外觀完好，無可見裂紋、破損或變形，通過驗(yàn)證。

6、結(jié)語

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋生產(chǎn)工藝由球墨鑄鐵砂型鑄造工藝改為半固態(tài)鋁合金流變壓鑄鑄造工藝，結(jié)合結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化，成品質(zhì)量為159g，相比鑄鐵件減重45%，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減重520g，輕量化效果顯著。

對主軸承蓋進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)以滿足零件各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，對澆道結(jié)構(gòu)、澆口位置及尺寸等開展了設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)過三級(jí)固溶、自然時(shí)效、人工時(shí)效熱處理，得到的零件金相組織致密，力學(xué)性能好，內(nèi)部無氣孔、縮松等缺陷。

作者：

任俊成 李濤 王澤忠 唐元媛 李欣
東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

陳頌 李大全
有研工程技術(shù)研究院有限公司

梁小康
愛柯迪股份有限公司

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第07期