原標(biāo)題:基于AlSi10MnMg電池罩蓋工藝研究

摘 要:以新能源汽車AlSi10MnMg壓鑄鋁合金電池罩蓋為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)充型過(guò)程中的卷氣缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)壓鑄模具排溢系統(tǒng)。通過(guò)熱處理試驗(yàn)，確定該產(chǎn)品人工時(shí)效工藝參數(shù)。試驗(yàn)證明，數(shù)值模擬能有效的控制卷氣，經(jīng)過(guò)190 ℃ x 2 h的人工時(shí)效，電池罩蓋滿足抗拉強(qiáng)度30 0MPa，屈服強(qiáng)度210MPa，伸長(zhǎng)率5%的力學(xué)性能要求。

近年來(lái)由于汽車輕量化的需求，如懸掛梁、承重梁、減震塔及輪轂等鋁合金壓鑄件得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。AlSi10MnMg作為新型的高強(qiáng)韌性鋁合金壓鑄材料，其具有抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率高等特點(diǎn)。在壓鑄充型過(guò)程中，AlSi10MnMg合金熔體在壓力作用下以極快的速度填充模具型腔，容易產(chǎn)生卷氣缺陷，因此分析充型過(guò)程中的卷氣狀況十分重要。本研究運(yùn)用Anycasting軟件進(jìn)行卷氣數(shù)值模擬分析，并通過(guò)熱處理工藝進(jìn)一步提高AlSi10MnMg薄壁壓鑄件的力學(xué)性能。

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖1為新能源汽車電池罩蓋的外形，材質(zhì)為AlSi10MnMg，該產(chǎn)品平均壁厚為3 mm，外形輪廓尺寸為152 mm×142 mm×22 mm，鑄件投影面積為142 cm2，質(zhì)量為0.22kg。該產(chǎn)品裝配于電池上蓋，外表面裝配多個(gè)傳感器和螺栓，產(chǎn)品功能上需要保護(hù)內(nèi)部電池組，防止液體泄漏，同時(shí)需要承受一定的外部沖擊和以及抵抗長(zhǎng)期的疲勞振動(dòng)。內(nèi)控要求抗拉強(qiáng)度大于300 MPa，屈服強(qiáng)度大于210 MPa，伸長(zhǎng)率大于5%，加工表面不能有大于1 mm的氣縮孔，密封測(cè)試條件為10 kPa條件下泄漏率小于8 mL/min。該合金鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度為240 MPa,屈服強(qiáng)度為140 MPa，伸長(zhǎng)率為5%，無(wú)法滿足需求，因此從原材料成分、模具設(shè)計(jì)及人工時(shí)效幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改善。

圖1 新能源電池罩蓋

2、化學(xué)成分分析

AlSi10MnMg基于Silafont-36，依據(jù)DIN EN 1706 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，化學(xué)成分見(jiàn)表1。Si含量略低于AlSi共晶合金，具有較好的流動(dòng)性。而Fe含量低，使Al-Fe-Si相的針板塊狀得以消除，壓鑄件在受力狀態(tài)下不易產(chǎn)生裂紋。一定的Mn含量可以減弱Fe的危害，防止壓鑄時(shí)合金的粘?，F(xiàn)象，而在組織上呈現(xiàn)球狀相。

表1 AlSi10MnMg的化學(xué)成分 wb/%

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的AlSi10MnMg鋁合金中，Mg含量為0.1%~0.6%，范圍比較寬。吳樹(shù)森等研究發(fā)現(xiàn)，Mg含量的增加與抗拉強(qiáng)度與屈服極限正相關(guān)，與伸長(zhǎng)率負(fù)相關(guān)。過(guò)低的Mg不能產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度，也不利于后續(xù)的熱處理，而過(guò)高的Mg能導(dǎo)致伸長(zhǎng)率降低，Mg與Si形成Mg2Si強(qiáng)化相，使得α-Al固溶體結(jié)晶點(diǎn)陣發(fā)生畸變，從而起到強(qiáng)化合金的作用。Mg的含量為 0.20%~0.40%可以取得較好的綜合力學(xué)性能。

Fe是壓鑄鋁合金中一種有害元素，其以FeAl3和Al-Si-Fe的片狀或者針狀組織存在，降低合金的力學(xué)性能，F(xiàn)e含量要低于0.15%，Mn元素可以與Fe形成化合物，進(jìn)一步消除鐵有害因素，同時(shí)Mn可以提高產(chǎn)品球狀結(jié)晶組織含量，將Mn含量保持為0.50%~0.80%。

適當(dāng)增加Ti能顯著細(xì)化鋁合金的晶粒組織，提高合金的力學(xué)性能，降低合金熱裂紋傾向，故將Ti含量控制為0.06%~0.10%之間。由此，調(diào)整后壓鑄鋁合金的成分見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)材料成分AlSi10MnMg  wb/%

3、模具設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

圖2為該電池罩蓋澆注系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，總投影面積為290 c㎡, 澆注總質(zhì)量為0.78 kg，選用UB350ic壓鑄機(jī)，該設(shè)備鎖模力為3 500 kN。設(shè)計(jì)模具每模1件，壓室直徑為ø60mm，料缸充滿度35%。模具有五個(gè)分支澆道，其中左側(cè)分支澆道制造伴隨鑄件的試片2，并通過(guò)阻斷器8控制是否需要制造試片。根據(jù)該產(chǎn)品要求，鑄件內(nèi)左下側(cè)“眼鏡孔”區(qū)域、 右下側(cè)“矩形方框” 區(qū)域、澆注末端“圓孔”區(qū)域安裝傳感器等零部件，這3個(gè)部位是通孔，并且該區(qū)域加工后所有加工表面氣孔應(yīng)小于0.6 mm。鑄件4個(gè)分支澆道呈梳狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)澆口長(zhǎng)度為75 mm，澆口厚度為2.0mm，為凝固模數(shù)的2/3，總澆口截面積為150 m㎡，計(jì)算可得平均流速為40 m/s左右。壓鑄模采用FS438壓鑄熱作模具鋼，其具有良好的淬透性、韌性、熱強(qiáng)性、熱疲勞性能，熱處理變形小等。冷卻介質(zhì)為水，局部采用10 kg/c㎡的可編程間斷高壓點(diǎn)冷卻，自然排氣，通過(guò)模擬分析確定渣包位置以及排氣波板的設(shè)計(jì)。

圖2 電池罩蓋澆注系統(tǒng)

1.電池罩蓋 2.試片 3.料柄 4.直澆道 5.橫澆道 6.分支澆道 7.試片渣包腔 8.阻斷器

借助 ANYCASTIN 6.0軟件進(jìn)行模擬分析，主要可進(jìn)行鑄造的充型、熱傳導(dǎo)、凝固過(guò)程和應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析。模擬分析對(duì)象為鑄件與壓鑄模具，劃分1 560萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，根據(jù)薄壁件高速填充特點(diǎn)，設(shè)定初始邊界條件為熔體溫度680 ℃，模具溫度為185 ℃，沖頭充型速度為3.5 m/s，模具與鑄件傳熱系數(shù)為2 000 W/(㎡.K)，模具間傳熱系數(shù)為1 000 W/(㎡.K)。

模擬分析結(jié)果見(jiàn)圖3。合金液在壓射沖頭推動(dòng)下以較低速速到達(dá)內(nèi)澆口，中間兩澆口的鋁液首先被填充。由圖3a可知，第0.015 s開(kāi)始高速壓射，澆口平均速度為42 m/s左右，鋁液沖擊模具和型芯，以紊流狀態(tài)填充型腔。從圖3b可見(jiàn)，第0.0175 s到達(dá)“眼鏡孔”區(qū)域，在模具上該部位為研合模具型芯，鋁液將沖擊型芯產(chǎn)生渦流卷氣。為確保該重要部位質(zhì)量，將眼鏡孔通孔設(shè)計(jì)變更為2 mm厚的盲孔，即模具在該部位的研合優(yōu)化為2 mm的間隙，卷氣狀況明顯改善，增加的2 mm材料在后序加工切除。從圖3c可見(jiàn)，在填充0.021 s左右兩股鋁液分別到達(dá)圓孔和矩形孔末端，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，澆道對(duì)側(cè)圓孔末端與矩形孔末端均有明顯卷氣情況發(fā)生,，故分別設(shè)計(jì)渣包于圓孔和矩形孔內(nèi)，渣包入料口為模擬鋁液交匯處；第0.024 s填充至鑄件末端，流向鑄件周邊渣包,見(jiàn)圖3d。經(jīng)多次模擬分析，在鑄件填充末端分別設(shè)置8個(gè)渣包，鑄件生產(chǎn)后經(jīng)X光顯示，周邊渣包內(nèi)含有較多氣縮孔與氧化夾渣。

圖3 電池罩蓋填充卷氣模擬

圖4為填充0.277 s時(shí)的速度云圖。“π”型排氣波板是將一個(gè)傳統(tǒng)的排氣波板中間隔離，同時(shí)保留末端連通，一般左右兩邊隔離長(zhǎng)度為4~5個(gè)牙扣，該結(jié)構(gòu)既可以保證左右兩側(cè)氣體排出互不干擾，同時(shí)縮小空間，節(jié)省加工制造成本。從圖4可以看出，該時(shí)刻左側(cè)鋁液達(dá)到第一牙扣，右側(cè)即將抵達(dá)第一牙扣，使用粒子跟蹤技術(shù)測(cè)量左側(cè)前端速度為12 m/s，右側(cè)為1 3m/s，由于波板平均間隙為0.7 mm，兩股鋁液經(jīng)過(guò)第一牙扣后速度迅速下降，到第二牙扣幾乎停止運(yùn)動(dòng)，鋁液最終停止的位置與鋁液粘度、模具溫度以及鑄造壓力等有關(guān)，設(shè)計(jì)左右兩側(cè)分別獨(dú)立4個(gè)牙扣，在第5~8個(gè)牙扣連通，實(shí)踐證明“π”型排氣波板設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)過(guò)程使用可靠。

圖4 填充0.277秒速度矢量

依據(jù)模擬分析結(jié)果，使用UB350iC壓鑄機(jī)生產(chǎn)該零件，壓射沖頭尺寸為ø60 mm，實(shí)測(cè)沖頭與料缸間隙為0.07 mm，為適應(yīng)薄壁件充型，保溫爐設(shè)定合金液溫度為680 ℃，實(shí)際模具溫度控制在180~200 ℃之間，鑄造壓力為80 MPa，一級(jí)壓射速度為0.2 m/s，二級(jí)速度為3.5 m/s，鑄件見(jiàn)圖5。使用XG-160S T/S X射線實(shí)時(shí)成像機(jī)檢查零件內(nèi)部質(zhì)量，可以看到鑄件整體輪廓清晰，見(jiàn)圖6，眼鏡孔、方形孔及圓孔周邊重要功能區(qū)域無(wú)可見(jiàn)氣孔、氧化夾渣等質(zhì)量缺陷，澆注末端質(zhì)量良好，周圈密封環(huán)形槽滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，隨件試片輪廓清晰，無(wú)可見(jiàn)氣孔等缺陷，見(jiàn)圖7。使用WDW-50電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量隨件試片力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度平均值為260 MPa，屈服強(qiáng)度值為 170 MPa，伸長(zhǎng)率為 6 %，性能不能滿足設(shè)計(jì)要求。

在產(chǎn)品3個(gè)重要區(qū)域取切片拋光并在10%燒堿溶液中腐蝕，使用AX10蔡司金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，見(jiàn)圖8，白亮α鋁多數(shù)為塊狀或枝狀，晶粒尺寸較為粗大，個(gè)別尺寸大于80 um, 細(xì)小暗黑色Al-Si合金分布于α鋁周邊，較為均勻，但仍可見(jiàn)細(xì)小氣縮孔，孔隙率為3.5%。取圓孔內(nèi)渣包進(jìn)行金相檢驗(yàn)，見(jiàn)圖9，發(fā)現(xiàn)有多個(gè)呈圓形黑色氣孔空洞，且周邊存在密集分布細(xì)小孔洞，經(jīng)圖像識(shí)別測(cè)量，渣包內(nèi)孔隙率為大于9%，說(shuō)明該處渣包實(shí)現(xiàn)集氣及排渣的功能，氣體是在鋁液流動(dòng)前端被高速卷入渣包，在高壓下被壓縮為孔洞。該現(xiàn)象與模擬分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明模具渣包設(shè)計(jì)較為合理。

4、熱處理工藝效果

鋁合金鑄件熱處理目的是提高合金的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工性能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。鋁合金的時(shí)效硬化不僅決定于合金的組成、時(shí)效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷，特別是空位、位錯(cuò)的數(shù)量和分布等，目前普遍認(rèn)為時(shí)效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。AlSi10MnMg薄壁壓鑄零件在T5及T6的適當(dāng)工藝參數(shù)，都能得到較好的性能要求。由于固溶熱處理工藝較為復(fù)雜，并且較高的溫度容易導(dǎo)致薄壁壓鑄件變形超差，且薄壁該零件可以在2h可以得到均勻的溶解，因此以溫度為變量采用人工時(shí)效處理。

選取人工時(shí)效溫度范圍為170~210 ℃，每間隔10 ℃作為1組，保溫時(shí)間均為2 h。采用Sx2-12-6電阻爐進(jìn)行人工時(shí)效，額定功率為12 kW，爐膛尺寸為550 mm×550 mm×450 mm；將每組3個(gè)試片懸掛放置入爐膛中間部位，通風(fēng)，升溫15 min到達(dá)規(guī)定時(shí)效溫度，隨后自動(dòng)保溫計(jì)時(shí)，最后由人工將試片取出空氣中冷卻。

使用WDW-50E萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸測(cè)試過(guò)程依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T228.1-2010，見(jiàn)圖10，伸長(zhǎng)率由卡尺測(cè)量拉伸前后數(shù)值計(jì)算獲得，每組3件，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖10 不同時(shí)效溫度下拉伸試片

表3 人工時(shí)效參數(shù)與力學(xué)性能表

從表3可以看出，經(jīng)過(guò)人工時(shí)效熱處理，屈服極限和抗拉強(qiáng)度相對(duì)于原始鑄態(tài)有不同程度提升，其中190 ℃ x2h時(shí)，分別為306 MPa和222 MPa，而后當(dāng)溫度增加強(qiáng)度略有降低；同時(shí)，經(jīng)過(guò)T5熱處理，伸長(zhǎng)率先下降然后上升，其中190 ℃ x 2h的伸長(zhǎng)率為5.4%，但都小于壓鑄毛坯狀態(tài)的。

進(jìn)一步選擇熱處理時(shí)效溫度190 ℃，保溫8 h對(duì)電池罩蓋鑄件進(jìn)行去時(shí)效處理，進(jìn)行拉伸測(cè)試后得到抗拉強(qiáng)度為307MPa，屈服強(qiáng)度為227 MPa，但伸長(zhǎng)率下降到2.6%，說(shuō)明過(guò)長(zhǎng)的熱處理時(shí)間對(duì)于強(qiáng)度影響不大，但對(duì)伸長(zhǎng)率影響很大。

5、結(jié)論

基于AlSi10MnMg壓鑄合金材料,針對(duì)新能源汽車電池罩蓋力學(xué)性能要求，提出解決該問(wèn)題的一般方法，即合理選擇合金成分含量、優(yōu)化設(shè)計(jì)壓鑄模具、正確配置人工時(shí)效方案。結(jié)果表明，合金成分中Mg的含量為0.2%~0.4%，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特性優(yōu)化排溢系統(tǒng)，人工時(shí)效選擇190 ℃以及2 h，其性能能滿足要求。

作者
朱洪軍 黃瀟蘋
大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院
間德海
大連亞明汽車部件股份有限公司
本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志