徐飛躍  安肇勇  萬  里  汪學陽  廖仲杰  陳振字  余  亮

 （廣東鴻圖科技股份有限公司）

摘要針對某汽車鋁合金結構件的壓鑄成形，應用數值模擬，以了解鋁液流動充型狀態與鑄件缺陷的分布，優化了鑄件的澆注系統與排氣系統。在自主研發的高真空壓鑄技術基礎上，研究了金屬液充型時模具型腔真空度對鑄件組織和性能的影響。結果表明，高真空壓鑄可以顯著降低鑄件的含氣量，提高鑄件致密度；與普通真空壓鑄相比，高真空壓鑄件的抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度分別提高了21%、29%、18%、10%。

關鍵詞  結構件；高真空壓鑄；數值模擬；力學性能

中圖分類號  TG249.2+1；U463.1 DOI:10.  159 80/j. tzzz. 2016. 06. 016

1  鑄件的結構及開發技術要點

 某汽車底盤結構件見圖1，其輪廓尺寸為677. 79mm×115. 40 mm×232. 42 mm，質量為2.6 kg，平均壁厚為3.5 mm，體積約為9.88×105 mm3。鑄件投影面積為86 300 mm2，材質為Al-8Si-Mn-Mg合金。該鑄件有多處厚壁熱節部位，易形成縮孔。鑄件外觀品質要求：無明顯的壓鑄流痕，不能有明顯的龜裂紋，表面不能有氣泡；鑄件內部品質要求：一般鑄造位置孔洞在聲1mm以下，凸臺、厚肉部位要求孔洞在聲2 mm以下；鑄件內部含氣量要求：鑄件填充末端指定部位每100 g鋁含氣量要低于15 m L，內澆口指定部位要低于10 m L;鑄件力學性能（T5處理后）要求：抗拉強度為220 M Pa，屈服強度為150 M Pa，伸長率≥5%，沖擊韌度≥6.0 J／cm2，螺紋拉伸試驗M10≥60 k N，M12≥85 k N，硬度( HRB)為30;鑄件耐疲勞試驗要求：正常工況下，在指定點上承受6. 1～-4.8 k N的作用力，頻率為2 Hz，循環20 000次不允許破損，試驗工況下循環次數40 000次不允許有破損。根據以上要求，該鑄件生產難度較大。

 在鑄件開發過程中，為了縮短開發的周期，應用數值模擬軟件進行分析，并參照實際生產參數，采取4種不同的澆注方式（見圖2）。方案1和方案2采用梳形的澆注方式，方案3和方案4采用扇形的澆注方式；方案1與方案2相比，方案1采用進料較集中的方式而方案2采用進料較分散的方式；方案3與方案4相比，方案3的主橫澆道較短而方案4的主橫澆道較長。使用Magma軟件對以上4種方案進行模擬分析。結果表明：方案1澆道過于平直，能量損耗大，并且內澆口進澆不同步，較亂；方案2填充時兩側流道卷氣，凝固分析鑄件兩側螺紋孔有收縮孔；方案3澆道過短，不利于高真空壓鑄工藝的應用；方案4鑄件中間澆注處溫度較高，該處模具沖蝕的可能性較大。從填充流態、凝固收縮、溫度等綜合考慮，方案4較優。

2  壓鑄工藝參數優化試驗

 采用意德拉16 000 k N的臥式冷室壓鑄機進行生產，壓鑄機配有實時壓射控制系統。

 真空閥為具有自主知識產權的液壓式高真空截止閥（見圖3），并配以高真空控制系統，實現型腔與壓室雙向抽真空；模具型面使用直徑為10 mm的硅膠條密封（見圖4）；模具冷卻采用油性介質并配以熱電偶精確模溫控制；型芯針的冷卻采用高壓水質冷卻；噴涂采用ABB機器人自動噴涂。

 試驗材料采用高強韌的Al-8Si-Mn-Mg合金，具體化學成分見表1。

 為了獲得最優的壓鑄機設置參數與高真空行程的組合，在設定鋁合金溫度為690℃，模溫為200℃的條件下對7組參數組合進行了試驗（見表2）。

 對鑄件進行著色滲透檢測，結果表明鑄件表面無成形不良、冷隔、裂紋、鼓泡等缺陷（見圖5）。

 用X光射線對鑄件的內部品質檢測，結果表明平板位置沒有發現氣縮孔，鑄件的凸臺、厚壁位置同樣沒有發現氣孔、縮孔、縮松（見圖6）。

 綜合以上分析可知，慢壓射速度為0.3 m/s，真空位置為480 mm，壓鑄速度為4.0～4.5 m/s，鑄造壓力為76 M Pa左右，快壓射距離為620 mm是最佳參數組合。

3  力學性能測試與分析

3.1真空對壓鑄件組織和力學性能的影響

 表3為鑄態下高真空壓鑄件和普通真空壓鑄件的性能對比。由表3可以看出，高真空(真空度為97k Pa)壓鑄件的密度較高，意味著壓鑄件內部含氣量少。與普通真空（真空度為65 k Pa）壓鑄件相比，高真空壓鑄件的抗拉強度、屈服強度、伸長率和硬度分別提高了21%、29%、18%、10%，表明高真空壓鑄對于提高結構件的力學性能具有較好的促進作用。

 圖7為高真空壓鑄和普通真空壓鑄時的合金顯微組織。無論是高真空壓鑄還是普通真空壓鑄，Al-8 Si-M n-Mg鋁合金組織均由較為粗大的a1-Al和細小圓整的a2-Al，以及細小枝晶狀的共晶Si等組成。雖然合金中的Fe含量較低，但仍可觀測到少量顆粒狀的富Fe相。由于壓力鑄造是在高溫高壓下，金屬液以極短的時間填充型腔并凝固成形，這種較大的冷卻速度可使液態金屬獲得較大的過冷度，從而增加了形核數，提高了形核速率，使共晶Si得到了細化，并抑制針片狀AISiFe相的生成。由于真空度不高，在普通真空條件下，可觀察到鑄件內部存在非常細小的氣孔缺陷。

3.2熱處理對高真空壓鑄件性能和組織的影響

3. 2.1力學性能

 鑄件需進行時效熱處理，熱處理條件為200℃×2h。然后對鑄件的筋條指定位置（部位1、2、3）取樣進行拉伸試驗（見圖8），結果見表4，可以看出，壓鑄件的力學性能隨著壓鑄工藝不同而不同。

從表4可以看出，高真空壓鑄與普通真空壓鑄相比，抗拉強度、屈服強度、伸長率和硬度都有了明顯的提高，其中抗拉強度提高了約21%，屈服強度提高了約29%，伸長率提高了約18%，硬度提高了約10%，由此可知，高真空壓鑄顯著提高了壓鑄件的強度和硬度。

3.2.2沖擊韌度

 對壓鑄件的筋條指定位置（部位1、2、3，該位置點為力學性能檢測的位置取樣點）進行沖擊試驗，從表5的試驗結果可以看出，高真空壓鑄件的沖擊韌度完全符合鑄件的要求。

3.2.3螺紋拉拔

 對鑄件的M10與M12螺紋孔進行螺紋拉拔試驗，M10螺紋在66 k N、M12螺紋在85 k N作用下沒有發生變化，表明高真空壓鑄件的螺紋完全符合受力要求。

3.2.4耐疲勞試驗

 鑄件經40 150次耐久性試驗后，熒光檢測顯示鑄件表面沒有出現裂紋，結果表明高真空壓鑄件的耐疲勞性達到技術要求。

3.2.5含氣量檢測

 含氣量測試見表2。從表6的試驗結果可以看出，內澆口部位鑄件本體每100 g A1的含氣量在8.9 m L以下，水尾溢流槽部位鑄件本體每100 g Al的含氣量在12 m L以下，完全符合鑄件要求。

4  結  論

 (1)應用數值模擬，優化了汽車底盤結構件的壓鑄成形工藝及高真空壓鑄工藝參數，制造出了外部、內部品質符合要求的高品質鑄件。

 (2)高真空壓鑄可以明顯改善結構件的力學性能。與普通壓鑄相比，高真空壓鑄時鑄件致密度提高，鑄件的抗拉強度、屈服強度、伸長率和硬度分別提高了21%、29%、18%、10%。

 (3)鑄件的耐久、拉拔、含氣量檢測結果均符合產品的技術要求，滿足批量生產條件。