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新型真空高压铸铝车身结构件的材料研发

0 引言

随着人们对环保和乘用车轻量化需求的日益 增长,传统车身结构件的弊端也日益显现。传统的 车身结构件,一般是用结构钢板,冲压成型后进行焊 接,或使用紧固件连接。这样的结构重量大,连接点 多,需要多道工序才能获得复杂的车身结构。

如改用轻合金薄壁大型铸件,一方面可取得显 著的减重效果;另一方面,由于只使用一个零件即可 获得复杂的结构,从而减少了成型和连接环节。

据此,为某高级轿车设计开发的新型零件 “Shock Tower”,就是以减重为主要目标,并将复杂 的结构通过铸造一体成型的全新设计。Shock Tower 又可称为前轮罩,它是连接车身和底盘的重 要结构件。其形状如图1 所示,三维均约500 mm, 绝大部分部位壁厚仅约 3 mm。

Shock Tower 除了强度要求外(抗拉≥180 MPa, 屈服≥120 MPa),也涉及到多种连接技术,特别是一 些铆钉的连接,如图2 所示,要求材料具备至少10% 的断后伸长率,否则将产生不可接受的开裂。

1 选材策略

1.1 汽车行业常见铸铝工艺的分析

目前汽车行业常用的铸铝件,主要是通过高、 低压铸造获得的,传统的重力浇注反而不多。

对于 Shock Tower 这样形状复杂的大型薄壁 件,如果采用重力或低压铸造,因为充型速度有 限,铝汤将在金属模的快速冷却下,在充型完成前即大量凝固,从而造成浇不足或冷隔等缺陷。

高压铸铝件(以下简称“压铸件”),是将铝汤 在大吨位的压机推动下完成充型,然后在金属模 中快速凝固,以获得细小的晶粒和较高的强硬度。 其特点是成型好、凝固快、工作效率高、强硬度高, 但普遍缺点就是脆性大,一般断后伸长率都低 于 3%。

使用凝固潜热高的铝硅合金高压铸造 Shock Tower,可以给铝汤提供足够的充型速度和凝固时 间以保证充型。但 10% 的断后伸长率要求,对于 压铸件而言是前所未有的挑战。一般铝硅合金可 通过变质和热处理来改善共晶硅相(以下简称“硅 相”),使针片状的硅相圆润,来提高塑性。但对于 压铸件,还存在以下两个问题。

金属模薄壁件凝固速度快,会影响变质效果; 压铸件在充型时,铝汤会裹入大量气体,除产生气 孔外,还会在后期热处理时发生铸件近表面气泡 鼓起问题,如图 3 所示。这是因为铸件凝固后再 进行热处理,气孔将因高温而膨胀,合金也因高温 而软化。而此时已没有凝固时的金属模具阻挡,于是容易在铸件表面形成鼓包。严重的鼓包,除 影响外观外,也将在受载时成为应力集中点,可能 导致裂纹从鼓包处起源。所以传统压铸件一般不 进行热处理操作。

1.2 突破传统的真空高压铸铝

将压铸模具抽为真空,就可以显著减少充型 时裹入的气体。这样在凝固成型后再对零件进行 固溶和人工时效热处理,可不发生鼓包问题。而 此时因为硅相经热处理后颗粒更圆润,从而可以 显著提高材料塑性,达到断后伸长率设计指标。

这样的真空高压铸造件,除保留了压铸件固 有的优点外,还可以适用铆接、焊接(同样因裹入 气体会造成焊接气孔和鼓包)等更灵活的连接方 式,用于要求高塑性、韧性等多种受载场合,是对 压铸工艺具有历史意义的革新。

华中科技大学的材料成形与模具技术国家重 点实验室也成功地使用铝镁合金 ZL101 - T6 完成 了真空压铸件的试制。其后研发的某轿车底盘 件,断后伸长率可达 7. 3%,是国内非常成功的范 例。但需大批量生产 10% 以上的真空压铸件,在 国内尚鲜有先例。

2 成分设计

2.1 传统压铸件的成分特点

为保障充型能力、抗热裂和减少缩孔,传统压 铸件一般选用高硅的铝合金。同时为进一步提高 强度,铜和镁元素也是经常添加的。

镁元素与硅形成的Mg2Si硬质相,需通过适当 的热处理,才能起到良好的强化作用。而Al2Cu硬质相,即使不进行热处理也能起到显著的强化 作用。所以传统压铸件更多倾向于添加铜元素。

压铸件为减少粘模,铁含量一般较高。但铁 元素在铝合金中易形成针状脆性相,如图 4 所示, 也是导致压铸件脆性高的原因之一。

变质剂对硅相的变质效果如图 5 所示。但由 于压铸件凝固速度快,会减弱变质作用。加上传 统压铸件对塑性要求低,所以一般都不添加锶等 变质剂。

2.2 真空压铸件改良元素的添加

由于 Shock Tower 对塑性要求高,其成分设计 应不同于传统的压铸件。虽然为确保铸造性能, 保持了以硅元素为主(硅含量取 8% ~12%,在真 空压铸条件下此含量的铸造性能和强度都较 好 ),但进行了以下改良创新:

(1)铜元素降低了塑性,改为以镁元素为主要 强化元素,通过热处理获得所需机械性能。

(2)通过添加锶元素,对硅相形态进行先期的 改善。

(3)通过添加较多含量的锰元素,以减少含铁 脆性相对机械性能的影响。

综上所述,最终制定的铝合金牌号为:AL-C-D-Si10MnMg。具体成分指标因涉及公司技术机密,在此不予公开。

3 热处理制度

虽然从成分设计上进行了变质处理,但还是需要对Shock Tower进行热处理,才能进一步提高性 能,特别是材料塑性,以达到断后伸长率设计指标。

3.1 铸造铝合金一般热处理方法

铸造铝合金的热处理,是通过固溶和时效等 过程来改变铸件的金相组织,控制强化相的形态、 大小、分布和数量,以获得期望的材料性能的方法。按美国金属手册的定义,主要热处理制度有:

T4:固溶热处理后,没有经受冷加工,通过室 温时效使其机械性能稳定化。一般强度较低。

T5:从高温成型工艺冷却后,比如铸造或挤压 后,没有经受冷加工,通过人工时效(沉淀热处 理),而得到改善的机械性能和尺寸稳定性,能获 得较高的强度。特别是没有经过固溶处理,节约 了能源、时间,并减少了淬火时的变形和残余 应力。

T6:固溶热处理后,没有经受冷加工,通过人工时效(沉淀热处理),而得到改善的机械性能和尺寸稳定性,往往是为了获得最高的强度。

T7:固溶热处理后,通过人工时效(沉淀热处 理)达到过时效的程度。稳定化热处理虽然会使 强度下降,但可提高塑性、尺寸稳定性和抗应力腐蚀的能力。

3.2 Shock Tower 热处理制度的确立

对于 Shock Tower,首先最多的强化相是共晶 硅相。铸造态(以下简称为“F”态)组织中的共晶 硅变质效果如因快速凝固而不够理想,应通过适 当的热处理,将共晶硅颗粒化、圆润化。这样降低 了尖锐组织的应力集中,可起到提高塑性和强度 的作用。

其次,对于铝镁硅合金,无论是铸铝合金还是 用于塑性变形加工的变形铝合金,Mg2Si 也是其主 要的强化相。未经热处理的 Mg2Si往往较集结,呈 粗大的骨骼状,如图 6 左上图所示。这样的 Mg2Si 起到的作用更接近于脆性的夹杂物,很难对机械 性能有好的贡献。经过合适的热处理,可以使 Mg2Si 在铝基体中均匀弥散地分布,且颗粒细小, 一般用金相显微镜很难观察到,如图 6 右上图所 示。这样的组织可强化基体,提高材料机械性能。

Shock Tower 有一定的强度要求,且塑性要求 非常高。先期的试验发现T4强度太低,而T6塑性不能达标。且对于这样的大型薄壁零件,如果 进行固溶处理,零件变形将非常严重。T7 虽然要 固溶,但强度和塑性都能满足设计。与不用固溶 处理的 F 和 T5 状态相比,强度要求都能满足,但 断后伸长率仅 T7 状态的才能稳定达标,如表 1 所 示。通过金相组织可以看到,经变质处理的真空 压铸件,再进行 T7 热处理,已很难找到针片状的 共晶硅相,如图 7 所示。虽然共晶硅相的长大会 造成强度的下降,但圆润的形态将显著提高材料 塑性变形能力。

最终 Shock Tower 选择的热处理制度是 T7,并 通过特殊的固溶淬火工艺和特制零件夹具系统, 解决了大型薄壁件在热处理过程中的变形问题。 具体工艺参数细节因涉及公司技术机密,在此不 予公开。

4 零件试制验证

通过 CAE 等手段进行了模具设计,最终完成 了实际铸件,如图 8、9 所示。图 9 中标记为3#的 区域,是相对较易产生内部缺陷的部位。

经 T7 热处理后的 Shock Tower 样件,除成分 和静拉伸性能均符合设计指标外,零件表面也进 行了目视检测,未发现鼓包缺陷。对设计要求区 域进行了 X - RAY 内部缺陷检测,也均满足 ASTM E505 - level 1 级水平,图 10 即为 3#区域的 X - RAY 检测照片。至此,真空高压铸铝件 Shock Tower 的材料研发工作基本完成。

5 结语

本文根据新型车身结构件 Shock Tower 在减 重和机械性能等方面的设计要求,选用突破传统的真空高压铸铝工艺,并进行了相应的成分设计 和热处理制定,成功完成了满足零件设计要求的 高塑性压铸铝材料研发。

本项目的研发成功,不仅是对传统压铸工艺 的一次重大突破。对于乘用车轻量化结构设计, 使用轻金属铸件代替传统钢架结构,也给予了很 有价值的借鉴。

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