解析差壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的熱處理工藝

李 莎

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程學(xué)院熱處理教研室，陜西咸陽712000）

在汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向節(jié)是不可忽視的構(gòu)成部分，既可以與汽車懸架、前車軸相連，又是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制動(dòng)器相連?？梢赃@樣說，轉(zhuǎn)向節(jié)在前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中起著支撐作用，又可以促使汽車靈活的轉(zhuǎn)向，承載著多重負(fù)荷力的沖擊。在使用差壓鑄造的方式打造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的過程中，熱處理環(huán)節(jié)的工藝效果直接影響著整個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)的安全性能。鑒于此點(diǎn)，有必要對(duì)熱處理的施工工藝進(jìn)行研究探討。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造工藝的研究現(xiàn)狀

1.1 制造工藝介紹

墨鑄鐵是傳統(tǒng)汽車中轉(zhuǎn)向節(jié)的最主要鑄造原料，以此鑄造的轉(zhuǎn)向節(jié)存在著易疲勞失效且過重的缺點(diǎn)。為改善缺點(diǎn)，使其重量降低且簧下性能增強(qiáng)，很多國(guó)外相關(guān)人員開始對(duì)高性能鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行研究，具體可見圖1。當(dāng)前鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于歐美、日本等國(guó)家地區(qū)，讓轉(zhuǎn)向節(jié)從傳統(tǒng)的墨鑄鐵升級(jí)為鋁合金鑄造，以此來提升轉(zhuǎn)向節(jié)的性能、降低轉(zhuǎn)向節(jié)的重量同時(shí)減少成本。立式擠壓鑄造機(jī)是在日本擁有較久歷史的一種鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)制造機(jī)械，其制造過程保密性非常之強(qiáng)[1]。而在歐洲等國(guó)家的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，主要運(yùn)用差壓鑄造。

作為汽車鍛件中極為重要的鍛件之一，轉(zhuǎn)向節(jié)的制造非常復(fù)雜困難，且轉(zhuǎn)向節(jié)的整體設(shè)計(jì)水準(zhǔn)決定了整體汽車鍛件的水準(zhǔn)，鑄造過程繁雜，需要具備較高標(biāo)準(zhǔn)要求的鍛造技術(shù)與模具。

圖1 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)示意圖

1.2 轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)面臨的問題

當(dāng)前，鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)需要先解決以下幾項(xiàng)問題：鍛造消耗的能源過多且對(duì)原材料的使用率太低；以研究人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來決定轉(zhuǎn)向節(jié)是否研發(fā)新品，時(shí)間周期過長(zhǎng)、費(fèi)用過高、風(fēng)險(xiǎn)較高。運(yùn)用差壓鑄造的方式雖然有高效率，但其采用原料的以A356 鋁合金為主，其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別約為280 MPa與180 MPa，相較而言伸長(zhǎng)率不夠高，通常小于5%。然而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)A356 鋁合金進(jìn)行熱處理，其抗拉強(qiáng)度保持280 MPa 左右，屈服強(qiáng)度可提升至約200 MPa，將伸長(zhǎng)率提升8%。很明顯差壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)的機(jī)械性能增強(qiáng)，可以達(dá)到保證駕駛安全的標(biāo)準(zhǔn)。

2 差壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)工藝

2.1 差壓鑄造工藝及優(yōu)勢(shì)

通過壓力來充型與結(jié)晶的鑄造方式即差壓鑄造。此種鑄造方式兼具壓力與低壓鑄造。首先進(jìn)行低壓鑄造，使用密封罩密封，將壓縮空氣注入向坩堝與罩內(nèi)，使內(nèi)部壓力上升，以此通過壓力差使金屬液經(jīng)過升液管充型，之后在壓力作用下凝團(tuán)結(jié)晶。

差壓鑄造有以下優(yōu)勢(shì)：①由于高壓氣體會(huì)使合金液發(fā)生凝固，而在合金液中溶解后形成的氣體會(huì)因其凝固而出現(xiàn)難以析出的現(xiàn)象，使析出性氣孔不易出現(xiàn)；②合金液內(nèi)部的氣體壓力小于合金液表面壓力，會(huì)使差壓鑄造的補(bǔ)縮性能加強(qiáng)，以避免縮松、縮孔等不良問題出現(xiàn)。相較于低壓鑄造而言，差壓鑄造具有組織密度高，性能強(qiáng)，并且能夠增強(qiáng)10%～50%的鍛件抗拉強(qiáng)度，25%～50%的伸長(zhǎng)率；③進(jìn)行差壓鑄造的過程中，由于受到型腔中氣體氣壓的影響，金屬表面氣體氣膜的密度增強(qiáng)，受熱后會(huì)提升抵抗液態(tài)金屬進(jìn)入凹坑的作用[2]。

運(yùn)用差壓鑄造的方式有以下優(yōu)點(diǎn)，模腔中的鋁液由模具底部注入，而后運(yùn)用壓力來平衡反壓，防止在充型的過程中出現(xiàn)鋁液噴涌或模具被腐化的不良問題出現(xiàn)，使整個(gè)過程保持穩(wěn)定，且可運(yùn)用模具設(shè)計(jì)的升級(jí)以及定向冷卻的方式來掌控凝固結(jié)晶，以保證轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造的整體質(zhì)量與效率。

2.2 轉(zhuǎn)向節(jié)差壓鑄造機(jī)組成

圖2 為差壓鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。由以下圖可見主要由上下壓力罐、升液管以及坩堝等部分組合而成。升液管與坩堝主要安裝于下壓力罐中的電阻保溫爐內(nèi)；通過控制使模具與驅(qū)動(dòng)順著支柱的方向垂直上下運(yùn)作，使轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行差壓鑄造。

2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)差壓鑄造工藝

圖2 差壓鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

完成差壓鑄造需要經(jīng)過六個(gè)階段。首先0～t1在上壓力罐中完成壓力罐的充氣；而后同樣在上壓力罐完成t1～t3，壓力罐內(nèi)壓力開始下降，然而此時(shí)下壓力罐并未出現(xiàn)壓力變化，兩者之間會(huì)出現(xiàn)壓力差，使鋁液順著升液管進(jìn)入至模具內(nèi)；t3～t4 主要為鋁液的上升以及充型階段；t4～t5 主要是保壓；t5～t6 階段主要是互通；最后的t6開始進(jìn)排氣與卸壓。鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的澆筑鋁合金過程中，0.5～0.6 MPa 為充氣時(shí)的壓力，在澆筑時(shí)溫度控制在710～725 ℃；模具中的運(yùn)行溫度控制在150～280 ℃，不可大于360 ℃；將保壓與留模的時(shí)間掌控在15～25 s。

3 差壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)熱處理工藝

3.1 差壓鋁合金鑄件的熱處理施工方式

運(yùn)用同一熱處理標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行差壓鋁合金的熱處理工作，設(shè)定溫度升高的速度，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)溫度之后進(jìn)行保溫，最后降溫，以此來使鋁合金的組織發(fā)生變化，提升鋁合金的整體性能，例如抗腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性等[3]。進(jìn)行熱處理的主要參數(shù)設(shè)定有：當(dāng)溫度升高至520 ℃時(shí)，進(jìn)行20 min 的保溫，而后繼續(xù)溫度提升至535 ℃，再進(jìn)行8 h 的保溫；需要將淬入60 ℃水中的時(shí)間控制在15 s 內(nèi)；當(dāng)完成淬入后，將其放置保溫爐，溫度為165 ℃，而后完成6 h的保溫，最后在出爐室完成2 h的降溫冷卻。

使鋁合金熱處理至高溫單相區(qū)，而后保溫，讓過剩相得以溶解而后迅速冷卻，這就是鋁合金的固熔處理。主要由以下幾個(gè)目的：

（1）讓Mg，Si完全固溶于α（Al）基體內(nèi)；

（2）使Mg，Si更加均勻的處于α（Al）基體內(nèi)；

（3）使共晶Si的形態(tài)由原本的纖維轉(zhuǎn)化為向粒形態(tài)。

所謂的固熔強(qiáng)化即為固溶合金元素至基體內(nèi)，以提升合金的整體強(qiáng)度。準(zhǔn)確的把握固熔的時(shí)間與溫度能夠提升整體的固熔質(zhì)量，以不存在過熱、過燒為前提，案例中將固熔溫度控制為535 ℃，8 h的時(shí)間。一定程度提升淬火時(shí)的溫度，能夠使固熔體達(dá)到最大的效益，因此案例將淬火參數(shù)定為60 ℃，15 s，主要為了確保不會(huì)在有第二相在此過程中析出，否則會(huì)導(dǎo)致之后的過程中，發(fā)生相起晶核的現(xiàn)象，以至于影響整體的固熔強(qiáng)化質(zhì)量。

3.2 具體施工流程

首先需要完成調(diào)質(zhì)工序，而后通過淬火來實(shí)現(xiàn)硬度與深度都更進(jìn)一步的硬化層表面，這樣在增強(qiáng)鍛件的耐磨性的同時(shí)提升整體韌度。

（1）調(diào)質(zhì)工序。一般而言在鹽浴爐中來完成調(diào)質(zhì)這一工序，基本的標(biāo)準(zhǔn)為能夠進(jìn)行無氧加熱處理。過程中的回火參數(shù)為：將溫度控制在180 ℃內(nèi)，保證80～100 min的保溫，而后進(jìn)行冷卻。

（2）高頻淬火。主要運(yùn)用連續(xù)式加熱的方式來完成，需要保證感應(yīng)器與主銷之間有2～3 mm 的距離，并且在進(jìn)行水淬過程中的壓力要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使深度與硬度得到保證。

3.3 熱處理注意事項(xiàng)

進(jìn)行熱處理的工序中，會(huì)因?yàn)橹T多影響因素而使整體的效果受到削減，當(dāng)影響程度較深會(huì)直接關(guān)系到鍛件的最終質(zhì)量，因此這一工序尤為重要。淬火裂紋是在高頻淬火中最容易出現(xiàn)的不良現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與感應(yīng)器的噴水孔直接相關(guān)，多數(shù)是因?yàn)槔鋮s過程操作不當(dāng)。以此為了提升冷卻的整體效果，降低淬火裂紋這一不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要作出以下措施：

（1）做好感應(yīng)器與主銷間隙的控制工作，當(dāng)二者的間隙處于合理狀態(tài)時(shí)，可以削弱淬火裂紋現(xiàn)象。

（2）削弱噴射壓力。

（3）在進(jìn)行淬水冷卻處理時(shí)，需要加快工件旋轉(zhuǎn)速度，由此起到提升冷卻均勻性的目的。

4 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證

從性質(zhì)上考慮，轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車中極為重要的安全部件之一，其對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)達(dá)到了Ⅰ級(jí)。經(jīng)大量試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向節(jié)常見有疲勞破壞這一失效形式，其對(duì)力學(xué)性能提出的要求極為嚴(yán)苛，因此需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，由此驗(yàn)證其安全性能[4]。

基于道路疲勞試驗(yàn)，具備顯著的荷載準(zhǔn)確性特點(diǎn)，但在開展試驗(yàn)時(shí)需要耗費(fèi)更多的實(shí)踐與成本，同時(shí)受試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)的影響較大。對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)室內(nèi)臺(tái)架而言，其優(yōu)點(diǎn)較為突出，所需的時(shí)間較少，同時(shí)邊界條件具有高度的一致性。對(duì)此，宜優(yōu)先選用室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，如圖3所示：

圖3 室內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)

綜合圖3 進(jìn)行分析，試驗(yàn)中需要使用到MTS 液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)將單軸交變載荷作為主要的載荷條件。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)沃勒曲線進(jìn)行分析，由此明確受損程度，對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)裂縫而言其長(zhǎng)度控制在1mm以內(nèi)。試驗(yàn)中使用到了A356鋁合金材料，需要通過熱處理的方式對(duì)其進(jìn)行加工，而后將其用于臺(tái)架試驗(yàn)中。此外，鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)需要滿足安全性、疲勞壽命等方面的性能要求。

5 結(jié) 語

本文介紹了A356 鋁合金為原材料制造轉(zhuǎn)向節(jié)的熱處理工藝，經(jīng)轉(zhuǎn)向節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)，其安全性能符合汽車對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)性能的需求。在具體的制造過程中，需要熟練的地掌握鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的熱處理工藝技巧，避免質(zhì)量缺陷，可以為生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)提供一個(gè)良好的質(zhì)量保障，從而為我國(guó)汽車零部件的創(chuàng)新發(fā)展提供有用的參考。