圖1 副車(chē)架支架

原標(biāo)題：重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝在鋁合金底盤(pán)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用

摘要：介紹了采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的鋁合金底盤(pán)結(jié)構(gòu)件。該底盤(pán)結(jié)構(gòu)件為某歐系豪華品牌底盤(pán)副車(chē)架支架，材質(zhì)選用ALSi7Mg0.3，重量約3 kg，尺寸范圍330 mm×260 mm×250 mm，最小壁厚為5 mm，最大壁厚達(dá)36 mm，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“L”形狀。通過(guò)采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝、加氫精煉處理、T6熱處理等工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品性能滿足屈服強(qiáng)度R p0.2 ≥190 MPa，抗拉強(qiáng)度R m ≥230 MPa，伸長(zhǎng)率A 50 mm ≥3%，硬度HBW80～110的要求。

隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)輕量化的需求越來(lái)越大，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件材質(zhì)逐步由傳統(tǒng)黑色金屬轉(zhuǎn)為有色金屬，并大量應(yīng)用于轉(zhuǎn)向節(jié)、車(chē)輪支架、控制臂、副車(chē)架等產(chǎn)品。其中鋁合金相比于傳統(tǒng)鋼鐵材料，具有密度小、質(zhì)量輕、鑄造加工性能優(yōu)良、耐腐蝕性能好、易回收再利用、在發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)比鋼鐵材料吸收更多的碰撞能量等優(yōu)點(diǎn)，從而大量應(yīng)用在底盤(pán)結(jié)構(gòu)件上。底盤(pán)結(jié)構(gòu)件主要起到受力和承載作用，并與多個(gè)零部件進(jìn)行連接裝配，屬于汽車(chē)安全件。這類(lèi)產(chǎn)品通常呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形困難、力學(xué)性能要求嚴(yán)等特點(diǎn)，對(duì)制造工藝要求很高。當(dāng)前行業(yè)多采用低壓鑄造、差壓鑄造、擠壓鑄造生產(chǎn)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件。本產(chǎn)品通過(guò)采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，附加特殊的二次精煉處理，以滿足副車(chē)架支架產(chǎn)品性能，達(dá)到目標(biāo)成品率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)的要求。

1、產(chǎn)品介紹及性能指標(biāo)

本底盤(pán)結(jié)構(gòu)件為不完全對(duì)稱(chēng)的左右件，是某歐系豪華品牌底盤(pán)副車(chē)架支架產(chǎn)品，屬于安全件。產(chǎn)品重量約3 kg/件，尺寸規(guī)格330 mm×260 mm×250 mm，最小壁厚為5 mm，最大壁厚達(dá)36 mm，產(chǎn)品整體呈現(xiàn)四周厚大、中心薄壁的特殊結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用重力傾注鑄造工藝開(kāi)發(fā)，成品率可達(dá)90%以上，全年實(shí)現(xiàn)30萬(wàn)件生產(chǎn)能力。副車(chē)架支架實(shí)物如圖1所示。

副車(chē)架支架材質(zhì)選用AlSi7Mg0.3，該合金具有流動(dòng)性好、無(wú)熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，合金成分如表1所示。

表1 AlSi7Mg0.3鋁合金主要化學(xué)成分 wB/%

1.1 內(nèi)部質(zhì)量要求

副車(chē)架支架在生產(chǎn)過(guò)程中要求100%進(jìn)行在線X光探傷，對(duì)內(nèi)部縮松、氣孔等缺陷進(jìn)行判定。產(chǎn)品分為受力區(qū)域、功能區(qū)域和一般區(qū)域，不同區(qū)域的判定標(biāo)準(zhǔn)不同。對(duì)受力區(qū)域、功能區(qū)域要求單個(gè)缺陷直徑≤1 mm，孔隙率≤5%，對(duì)一般區(qū)域要求單個(gè)缺陷直徑≤3 mm，孔隙率≤5%。

1.2 表面質(zhì)量要求

副車(chē)架支架要進(jìn)行100%外觀檢測(cè)，通過(guò)無(wú)損熒光滲透及人工裸眼檢查方式對(duì)鑄件表面的氣孔、裂縫、熱裂等缺陷進(jìn)行判定。判定標(biāo)準(zhǔn)也按照受力區(qū)域、功能區(qū)域和一般區(qū)域劃分。依據(jù)DIN EN 1371標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于受力區(qū)域，要求檢測(cè)到的缺陷滿足SP1/CP1等級(jí)（SP代表非線性的獨(dú)立缺陷，CP代表非線性的聚集缺陷）。對(duì)于功能區(qū)域、一般區(qū)域，要求檢測(cè)到的缺陷滿足SP2/CP2/AP2等級(jí)（AP代表排列成行的缺陷），缺陷最大深度可為0.5 mm，但不允許存在熱裂紋、熱撕裂和雜質(zhì)嵌入物。

1.3 力學(xué)性能要求

因?yàn)楦避?chē)架支架服役的工況沒(méi)有轉(zhuǎn)向節(jié)、副車(chē)架惡劣，所以力學(xué)性能與轉(zhuǎn)向節(jié)、副車(chē)架相比較低。采用鑄件本體取樣進(jìn)行檢測(cè)，取樣位置選擇在受力區(qū)域，具體標(biāo)準(zhǔn)為屈服強(qiáng)度R p0.2 ≥190 MPa，抗拉強(qiáng)度R m ≥230 MPa，伸長(zhǎng)率A 50 mm ≥3%，硬度HBW80～110。

2、工藝設(shè)計(jì)

副車(chē)架支架生產(chǎn)的工藝流程為：鋁液熔煉-鋁液二次精煉-重力傾轉(zhuǎn)鑄造-切邊、去除澆道冒口-在線X光探傷-T6熱處理-校正-裂紋檢測(cè)-加工-清洗-裝配-打包。

2.1 鋁液精煉及加氫處理

鋁合金鑄件從澆注溫度冷卻到室溫的凝固過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生收縮傾向，而收縮的方式由合金的成分、氣體含量和冷卻時(shí)的傳熱條件所決定，凝固過(guò)程中鑄件內(nèi)部氣體的逸出也常常影響縮孔的產(chǎn)生。在一些鑄件生產(chǎn)中，為防止出現(xiàn)局部縮孔缺陷，在鑄造前有意向熔融金屬液中引入氣體，如汽車(chē)排氣歧管、車(chē)輪等產(chǎn)品已有批量應(yīng)用。

根據(jù)行業(yè)研究結(jié)果，在補(bǔ)縮條件較差的鋁合金鑄件中，為了防止較大縮孔的形成，取而代之形成均勻彌散的氣孔，可以向合金中引入一定量的氫氣，加入量取決于具體合金的成分，并與該合金的液相線溫度有關(guān)。氫是液態(tài)鋁中最易溶解的氣體，且溶解度很大，并隨著溫度的升高而增大。氫在鋁液相及固相中的溶解度分別為0.65 cm 3 /100 gAl和0.034 cm 3 /100 gAl，即氫在液固兩相中的溶解度相差19倍，但氫幾乎不溶于固態(tài)鋁。

在鋁合金中加入氫氣之所以能夠降低縮孔缺陷，從微觀角度看，主要原因是當(dāng)液體合金進(jìn)入金屬型模具開(kāi)始凝固時(shí)，因模具對(duì)合金的快速激冷而產(chǎn)生的體收縮，在無(wú)補(bǔ)縮通道及合金中含氣量特別低時(shí)，孤立的液體在收縮產(chǎn)生的流體靜張力的主要影響下出現(xiàn)單一生核，并在隨后的收縮中形成大孔洞。但如果在凝固的后階段增加液體靜張力或含氣量，則生核可以在多處進(jìn)行，但這取決于核心所占據(jù)的核心位置和金屬中初始含氣量。初始的單一孔洞和經(jīng)生核而后長(zhǎng)大的孔洞相比，具有生產(chǎn)優(yōu)越性，所以，在合金含氣量較低時(shí)，鑄件中將形成一個(gè)較大縮孔。但是，當(dāng)合金中初始含氣量進(jìn)一步增加時(shí)，在收縮和氣體析出的共同作用下，多核形成傾向增加，導(dǎo)致大的縮孔減少，取而代之形成大量的小氣孔，且在某一臨界含氣量下，鑄件會(huì)只出現(xiàn)多核現(xiàn)象，即大縮孔消失，全部為均勻的小氣孔。

本產(chǎn)品采用金屬型重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，為了降低鑄件縮松傾向，利用上述原理將鋁液處理工序分為兩步進(jìn)行。第一步首先采用旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)，使用高純氬氣對(duì)鋁液進(jìn)行除氣除渣，除氣后使用在線密度儀進(jìn)行密度檢測(cè)。除氣除渣合格后，再次對(duì)鋁液進(jìn)行第二步處理，同樣使用旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)，但向鋁液通入氫氮混合氣而實(shí)現(xiàn)加氫處理。第二步加氫結(jié)束后，使用在線密度儀、測(cè)氫儀進(jìn)行檢測(cè)，合格后方能進(jìn)行澆注。生產(chǎn)過(guò)程中需保證鋁液存放時(shí)間不超過(guò)2 h。

通過(guò)向熔融金屬液中加入氫氣，較大的縮松 （縮孔或孔洞 ）消失，而被均勻彌散分布的氣孔所代替，如圖2所示，滿足副車(chē)架支架內(nèi)部質(zhì)量要求。

圖2 加氫后形成均勻分布的氣孔

2.2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

采用重力傾轉(zhuǎn)澆注方式可以有效減小鋁液進(jìn)入模具型腔后的落差，減少鋁液飛濺時(shí)產(chǎn)生的氧化夾渣，同時(shí)可以避免出現(xiàn)裹氣現(xiàn)象（圖3）。該生產(chǎn)工藝在國(guó)際上是成熟先進(jìn)的澆注工藝，已在鋁合金氣缸蓋等產(chǎn)品大批量應(yīng)用。生產(chǎn)過(guò)程中輔助穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，大幅提高鑄件質(zhì)量、減少工人勞動(dòng)量。該副車(chē)架支架為不完全對(duì)稱(chēng)的左右件，鑄造模具采用一模兩件形式，對(duì)稱(chēng)布置在模具型腔中，左右件居中設(shè)計(jì)成豎直主澆道，主澆道末端分出左右次澆道，分別對(duì)左右件進(jìn)行獨(dú)立充型。因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中心薄壁、四周厚大的形式，對(duì)厚大部位分別設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，減少縮松傾向。采用MAGMA軟件進(jìn)行充型、溫度、縮松缺陷等模擬優(yōu)化，最終工藝出品率為37.5%（產(chǎn)品重量除以鑄件、澆道、冒口等總重量）。

圖3 重力傾轉(zhuǎn)鑄造過(guò)程

澆注前先對(duì)模具采用天然氣預(yù)熱，模具溫度達(dá)到220～260 ℃ 時(shí)進(jìn)行涂料噴涂。涂料種類(lèi)有4種，包括底層涂料、型腔保溫涂料、澆道冒口保溫涂料、潤(rùn)滑涂料。底層涂料目的是使模具具有更好的粘附性，提高型腔保溫涂層的使用壽命。底層涂料噴涂后，使用噴壺對(duì)鑄件成形部位噴涂型腔保溫涂料，型腔保溫涂料顆粒細(xì)小，滿足鑄件表面光潔度要求。在模具澆道、冒口位置涂上另一種保溫涂料，使用刷子人工刷涂，涂料厚度可以較厚以加大保溫性，提高補(bǔ)縮能力實(shí)現(xiàn)順序凝固。最后對(duì)模具的分型面、滑道部位噴涂潤(rùn)滑涂料。采用多種涂料共同配合使用，確保鑄件質(zhì)量合格。

鋁液澆注溫度設(shè)定為（735±5）℃，整個(gè)澆注過(guò)程由自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)和機(jī)器人配合完成。澆注機(jī)器人根據(jù)指令用澆勺從保溫爐中取鋁，倒入模具澆口杯中，澆注機(jī)帶動(dòng)模具傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)速度6 s/90°，鋁液沿著金屬型從澆口杯中平穩(wěn)流入模具型腔。充型結(jié)束后開(kāi)始進(jìn)行冷卻。模具內(nèi)部設(shè)計(jì)22路冷卻水路對(duì)局部位置進(jìn)行點(diǎn)冷，冷卻水溫度為10～30 ℃，流量3～6 LPM，壓力2～4 bar。同時(shí)為了保證實(shí)現(xiàn)順序凝固，需對(duì)模具局部進(jìn)行加熱。充型冷卻時(shí)間為145 s，冷卻后澆注機(jī)恢復(fù)水平位置，模具開(kāi)模，澆注全過(guò)程時(shí)間約300 s/模次。每套模具一次生產(chǎn)1件左支架和1件右支架，凝固后由機(jī)械手從模具中取出鑄件后自動(dòng)送至清理單元。

清理單元內(nèi)的機(jī)器人抓取冷卻后鑄件送至冷卻水槽內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻至常溫后，由機(jī)器人抓取鑄件送至帶切邊機(jī)去冒口、鋸機(jī)去除澆道，然后在鑄件上打印二維碼和明碼數(shù)字，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄件的身份定義，澆注工藝信息上傳至IT服務(wù)器，保證產(chǎn)品具備可追溯性。整個(gè)澆注清理過(guò)程中操作者只需對(duì)模具進(jìn)行手工噴涂和清理，其他所有動(dòng)作均由設(shè)備根據(jù)程序設(shè)定自行控制完成，大幅減少了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 熱處理工藝

副車(chē)架支架采用T6熱處理工藝，熱處理爐為通過(guò)式熱處理爐，在固溶處理后進(jìn)行淬火處理，淬火介質(zhì)為水，淬火后待鑄件冷卻后進(jìn)行人工校正，先將鑄件放置在尺寸檢測(cè)儀上進(jìn)行尺寸檢測(cè)，測(cè)量鑄件變形量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)鑄件變形位置進(jìn)行校正，校正后的鑄件再次進(jìn)行尺寸檢測(cè)，確認(rèn)合格后，送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效處理。熱處理工藝如表2所示。

表2 T6熱處理工藝

熱處理料框需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，對(duì)鑄件易變形位置進(jìn)行定位和支撐，防止鑄件在高溫處理過(guò)程中變形，同時(shí)要保證鑄件在熱處理過(guò)程中受熱均勻、便于操作者上下料，定位工裝如圖4所示。時(shí)效后進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，熱處理不合格的鑄件最多允許重復(fù)進(jìn)行3次熱處理。熱處理、校正全過(guò)程需對(duì)鑄件掃描追溯，儲(chǔ)存工藝信息。

圖4 熱處理定位工裝

3、鑄件性能分析

3.1 X 光探傷結(jié)果

采用在線X光探傷機(jī)，設(shè)定多個(gè)探測(cè)角度，覆蓋到鑄件全部位置，通過(guò)合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、冷卻水路、模具溫度，以及優(yōu)化涂料噴涂工藝，鑄件受力區(qū)域、功能區(qū)域和一般區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量合格，滿足產(chǎn)品要求。

3.2 金相檢測(cè)及孔隙率

鑄件本體取樣，圖5為在金相顯微鏡下觀察的金相組織，可以看到α-Al枝晶大小均勻，共晶硅中細(xì)小顆粒狀，組織變質(zhì)及熱處理正常，個(gè)別視場(chǎng)有較小的圓形第二相，有條狀、塊片狀等不規(guī)則形態(tài)的第二相，均勻分散分布。

圖5 金相組織

因采用加氫處理工藝，鑄件內(nèi)部分布細(xì)小氫孔，通過(guò)金相顯微鏡判定氣孔分布狀態(tài)，結(jié)果表明氣孔分布均勻，滿足單個(gè)孔徑缺陷及孔隙率要求，如圖6所示。

圖6 氣孔分布狀態(tài)

3.3 力學(xué)性能

力學(xué)試樣從鑄件本體取樣，每個(gè)鑄件取2根力學(xué)試棒。使用Zwick Z100 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)條件參照GB/T228 A224，彈性模量測(cè)量速度0.000 25/s，屈服點(diǎn)及屈服范圍速度0.000 25 /s，試驗(yàn)速度0.006 7/s，室溫（23±5）℃。試樣標(biāo)準(zhǔn)參照DIN50125-A5×25（圖7）。硬度檢測(cè)樣品和拉伸試棒取自同一鑄件，試驗(yàn)條件參照GB/T231.1—2009。經(jīng)T6熱處理后，副車(chē)架力學(xué)性能能夠滿足產(chǎn)品要求，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

圖7 拉伸試樣示意圖

表3 力學(xué)試樣檢測(cè)結(jié)果

3.4 功能試驗(yàn)

加工后的副車(chē)架支架進(jìn)行螺栓裝配，與副車(chē)架及周邊伴隨件組成副車(chē)架總成，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)包括發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)、穩(wěn)定器連接試驗(yàn)、縱向受力試驗(yàn)、橫向受力試驗(yàn)以及螺栓連接試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)額定載荷及試驗(yàn)輪次，副車(chē)架支架未發(fā)現(xiàn)斷裂、局部裂紋等缺陷，通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)可。副車(chē)架支架進(jìn)行整車(chē)碰撞試驗(yàn)和典型工況試驗(yàn)，滿足實(shí)驗(yàn)要求，產(chǎn)品性能合格。

4、結(jié)束語(yǔ)

（1）副車(chē)架支架為底盤(pán)安全件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造成形困難，對(duì)內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能要求嚴(yán)格，采用金屬型重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝及T6熱處理完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，鑄件質(zhì)量、尺寸精度和力學(xué)性能均滿足要求，成品率達(dá)90%以上。

（2）采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工裝裝備，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序自動(dòng)化控制，所有工序均可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)記錄與上傳，滿足底盤(pán)安全件信息追溯要求，質(zhì)量保證能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，已累計(jì)向客戶交付80余萬(wàn)件。

作者：
張?jiān)品?叢培軍 張鵬 吳賀
趙勇箭 趙建鋒 魯曉帆
一汽鑄造有限公司

本文來(lái)自:《鑄造》雜志2021年第8期第70卷