某車型鋁合金減震器塔壓鑄材料和工藝設(shè)計(jì)研究＊

唐淳，闞洪貴，魯后國(guó)

（江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕性好、致密性好、綜合性能優(yōu)良等，在汽車輕量化中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在汽車用的鋁合金中，壓鑄鋁合金占比超過(guò)50%。壓鑄工藝具有成形精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，汽車用鋁合金壓鑄件目前已應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、車輪、底盤懸掛系統(tǒng)等零件。

傳統(tǒng)的減震器塔使用結(jié)構(gòu)鋼板，沖壓成型后進(jìn)行焊接，或使用緊固件連接。這種結(jié)構(gòu)重量大，連接點(diǎn)多，工序多。如改用鋁合金壓鑄，一方面可取得顯著的減重效果，另一方面，可有效減少零件數(shù)量，減少成型和連接環(huán)節(jié)。

圖1 壓鑄鋁合金減震器塔的應(yīng)用

鋁合金減震器塔在高端車型上已經(jīng)得到較多應(yīng)用，如奧迪A6、奧迪A8、奧迪Q7、路虎攬勝、凱迪拉克ATS、寶馬5系、寶馬E70等車型，圖1（a）是2014年歐洲車身會(huì)議上的奔馳C級(jí)車，采用鋁合金減震器塔，圖1（b）是2016年日本人車技術(shù)展上凱迪拉克 ATS的真空壓鑄鋁合金減震器塔。

1 設(shè)計(jì)要求

為了進(jìn)一步提升鋁合金輕量化效果，該鋁合金鑄件需要滿足如表1所示。

表1 鋁合金壓鑄件項(xiàng)目需求

2 壓鑄工藝

2.1 壓鑄工藝種類和特點(diǎn)

壓鑄是特殊的鑄造，不同于普通重力鑄造，壓鑄是在鋁合金液上施加一定壓力，使鋁合金液充滿型腔的工藝，根據(jù)壓力不同分為低壓和高壓鑄造，近年來(lái)又在壓鑄的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了高真空壓鑄，下面是幾種工藝的解釋。

重力鑄造是將液態(tài)金屬注入金屬型，在重力作用下結(jié)晶凝固獲得鑄件的工藝。凝固順序：自下而上。

低壓鑄造是在裝有液態(tài)鋁合金的密封容器（如坩堝）中通入干燥壓縮空氣，作用在保持一定溫度的液態(tài)金屬液面上，使金屬液研制升液管自下而上地經(jīng)過(guò)澆道，進(jìn)入型腔，待金屬液充滿型腔后，增大氣壓，型腔內(nèi)的金屬液在一定壓力作用下凝固成形，然后解除壓力，使升液管中未凝固的金屬液回落到坩堝中，再開(kāi)模取件，凝固順序?yàn)樽陨隙隆?/p>

圖2 壓鑄件中的氣孔，縮孔及夾雜缺陷

壓力鑄造是將液態(tài)或半固態(tài)金屬，在高壓作用下，以高的速度填充壓鑄模的型腔，并在壓力作用下快速凝固獲得鑄件。壓力鑄造的特點(diǎn)是高壓、高速，缺點(diǎn)是壓鑄件中常伴有氣孔及氧化夾雜物等鑄造缺陷，如圖2所示。

表2 工藝對(duì)比

高真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽出，金屬液在真空狀態(tài)下充填型腔，因而卷入的氣體少，鑄件的力學(xué)性能高，高真空壓鑄繼承和保持了普通壓鑄法的優(yōu)點(diǎn)。特點(diǎn)是模具型腔中的真空度達(dá)91kPa以上，含氣量1-3ml/100g，生產(chǎn)的鑄件可熱處理、可焊，高強(qiáng)高韌。幾種工藝的特點(diǎn)如表2所示[2]。

2.2 減震器塔壓鑄方式選擇

減震器塔是形狀復(fù)雜的薄壁件，如果采用重力或低壓鑄造，因?yàn)槌湫退俣扔邢?，鋁合金液將在金屬模的快速冷卻下，若零件壁厚較薄，在充型完成前就會(huì)大量凝固，從而[3]造成澆不足或冷隔等缺陷。

高壓鑄造可以生成薄壁件，但由于高壓鑄時(shí)氣孔及氧化夾雜物等鑄造缺陷，從而降低了壓鑄件質(zhì)量，不能熱處理且焊接性不好。

高壓真空鑄造除保留了壓鑄件固有的優(yōu)點(diǎn)外，還可以使用鉚接、焊接等更靈活的連接方式，因此高壓真空鑄造更適合于制造強(qiáng)韌性要求較高的減震器塔。

3 壓鑄鋁合金材料

3.1 化學(xué)成分對(duì)壓鑄鋁合金性能的影響

壓鑄鋁合金主要化學(xué)成分鋁（Al）元素，其余為硅（Si）、銅（Cu）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等合金元素，有時(shí)可以根據(jù)需要添加變質(zhì)劑如鈉（Na）、鍶（Sr）等。各元素對(duì)鋁合金性能的影響如表3所示。

表3 各元素對(duì)鋁合金性能的影響

3.2 壓鑄鋁合金

按照主要成分劃分，壓鑄鋁合金可以概括為：Al-Si系，Al-Si-Mg系，Al-Si-Cu系，Al-Mg系等，其中Al-Si-Cu系合金應(yīng)用最為廣泛，如國(guó)內(nèi)的YL112、YL113和日本的ADC12等，廣泛應(yīng)用于汽車的支架、托架、泵體和支臂等結(jié)構(gòu)件。中國(guó)，日本和歐洲的壓鑄鋁合金成分見(jiàn)表4，表5和表6。

表4 中國(guó)壓鑄鋁合金（GB/T 15115）

表5 日本壓鑄鋁合金（JIS H5302）

表6 歐洲壓鑄鋁合金（EN 1706）

普通壓鑄件上直接取樣測(cè)得的機(jī)械性能與特制的壓鑄測(cè)試片機(jī)械性能往往偏差較大，在GB/T 15115和JIS H5302標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)機(jī)械性能進(jìn)行約束。ISO 3522和EN 1706中列出的壓鑄鋁合金機(jī)械性能（供參考），見(jiàn)表7、表8。普通壓鑄鋁合金延伸率較低，一般不超過(guò) 3%，研究表明高真空壓鑄可以提升延伸率，但仍然難以滿足汽車結(jié)構(gòu)件對(duì)強(qiáng)韌性的需求。

表7 ISO 3522中壓鑄鋁合金機(jī)械性能

表8 EN 1706中壓鑄鋁合金機(jī)械性能

3.3 高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金

為了防止鋁液粘模且腐蝕損壞模具，一般壓鑄鋁合金Fe含量一般比較高，但Fe會(huì)與合金中的Al、Si形成針狀的中間化合物FeAl3和Al-Fe-Si，此類中間化合物的存在嚴(yán)重削弱了壓鑄件的力學(xué)性能，尤其是韌性。對(duì)于含 Cu類壓鑄鋁合金而言，時(shí)效析出的CuAl2相具有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果，在一定范圍內(nèi)提高壓鑄件的強(qiáng)度，卻降低了壓鑄件的韌性，而且 Cu的加入會(huì)導(dǎo)致壓鑄件的耐腐蝕性能降低和熱裂傾向增大。因此，普通的壓鑄合金無(wú)法獲得高強(qiáng)度、高塑性、高強(qiáng)韌、耐沖擊和耐腐蝕性能好的壓鑄件。為拓寬壓鑄件的應(yīng)用范圍，德國(guó)、日本等研究人員以高真空技術(shù)為基礎(chǔ)，展開(kāi)了對(duì)高強(qiáng)韌鋁合金的開(kāi)發(fā)和研究。目前常用于結(jié)構(gòu)件壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金主要是由 Rheinfelden公司推出的 Silafont-36、Magsimal-39和Castasil-37等。

Silafont-36合金將Si含量控制在共晶點(diǎn)附近，保持了良好的鑄造性能和充型能力，并通過(guò)提高M(jìn)n含量防止因鐵含量降低可能導(dǎo)致的粘?，F(xiàn)象。

Masgsinal-39合金降低了Si含量，提高了鎂含量。該系合金主要特點(diǎn)是鑄態(tài)下的機(jī)械性能就很高，往往不用熱處理也能滿足結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能要求，但機(jī)械性能對(duì)鑄件壁厚比較敏感。

Castasil-37，具有耐長(zhǎng)期時(shí)效的能力。主要應(yīng)用目標(biāo)是在較高溫度下工作的零部件，保證在整個(gè)使用期內(nèi)具有穩(wěn)定的性能。該合金具有良好的鑄造性能和焊接性能，鉚接性能也表現(xiàn)良好。同時(shí)鑄態(tài)機(jī)械性能高，可省去熱處理工序。

這三種壓鑄鋁合金的機(jī)械性能如表9所示。

表9 Silafont-36、Magsimal-39和Castasil-37的機(jī)械性能

這三種壓鑄鋁合金的性能對(duì)比如表10所示。

表10 Silafont-36、Magsimal-39和Castasil-37的性能對(duì)比

3.4 減震器塔鋁合金材料定義

減震器塔對(duì)塑性要求高，其壓鑄鋁合金成分設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的壓鑄件，合金元素對(duì)鋁合金性能的影響在2.1節(jié)已經(jīng)闡述了。Magsimal-59合金Mg含量較高，降低了Si含量，鑄造性能較差，對(duì)模具廠和壓鑄廠要求高，制造薄壁復(fù)雜減震器塔工藝難度大。Castasil-37雖然塑性較高，但降低 Mg含量到0.06%，其強(qiáng)度相對(duì)較低。

Silafont-36通過(guò)不同熱處理方式的具有不同的強(qiáng)韌性，其 T6處理狀態(tài)能得到最高的強(qiáng)度，目前在歐洲寶馬、奧迪等車型的減震器塔上已經(jīng)得到了運(yùn)用，其成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

（1）Si：保持以Si元素為主，含量8%-12%之間在真空壓鑄條件下此含量的鑄造性能和強(qiáng)度較好。

（2）Fe：含 Fe量降低到（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.15%以下，消除了板塊狀的AlFeSi相的存在，使鑄件在受力狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生龜裂。

（3）Cu：Cu元素雖然能提升強(qiáng)度，但降低塑性和耐腐蝕性能，降低Cu含量，改為以Mg為主要強(qiáng)化元素，通過(guò)熱處理獲得所需機(jī)械性能，同時(shí)也能提升耐腐蝕性能。

（4）Mn：提高含Mn量減少含F(xiàn)e脆性相對(duì)機(jī)械性能的影響，也能降低粘模。

（5）Mg：控制Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)可獲得不同的力學(xué)性能，如Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.13%-0.19%的合金，用于耐壓件或連接件如法蘭；Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18%-0.24%時(shí)，用于有中等屈服強(qiáng)度、疲勞性能和抗壓性能要求的安全件，如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)支架，Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%～0.30%的合金適合于承受沖擊、對(duì)屈服強(qiáng)度要求較高零部件，如控制架；如Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.33%～0.40%時(shí)可用于要求伸長(zhǎng)率的同時(shí)還要求壓縮強(qiáng)度的零件，為了獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能，Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化控制在0.07%范圍內(nèi)[2]。Mg含量對(duì)Silafont-36合金力學(xué)性能的影響如表11所示。

表11 Mg對(duì)Silafont-36合金力學(xué)性能的影響

（6）Sr：采用Sr作為長(zhǎng)效變質(zhì)劑，對(duì)Si相形態(tài)進(jìn)行先期的改善，改善材料機(jī)械性能。

綜合考慮強(qiáng)韌度，耐腐蝕性和壓鑄能力，最終制定的減震器塔選用 Silafont-36（AlSi10MgMn），化學(xué)成分范圍如表12所示。

表12 Silafont-36（AlSi10MgMn）

4 熱處理方式

4.1 鋁合金一般熱處理方法及機(jī)理

鋁合金的熱處理強(qiáng)化是以合金元素或金屬間化合物在鋁的固溶體中溶解度的變化為基礎(chǔ)，溶解度變化越大，則固溶強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化越顯著。我國(guó)主要熱處理類型、用途如表13所示：

表13 鋁合金主要熱處理類型

對(duì)于壓鑄鋁合金，首先最多的強(qiáng)化相是共晶硅相。由于壓鑄過(guò)程鋁液凝固速度較快，變質(zhì)處理對(duì)共晶硅變質(zhì)效果不夠理想，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，將共晶硅顆?；?、圓潤(rùn)化，可起到提高塑性和強(qiáng)度的作用。其次，對(duì)于 Al-Si-Mg合金，Mg2Si是其主要的強(qiáng)化相。未經(jīng)熱處理的Mg2Si往往較集結(jié)，呈粗大的骨骼狀。這樣的Mg2Si起到的作用更接近于脆性的夾雜物，很難對(duì)機(jī)械性能有好的貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)合適的熱處理，可以使Mg2Si在鋁基體中均勻彌散地分布，且顆粒細(xì)小，一般用金相顯微鏡很難觀察到，這樣的組織可強(qiáng)化基體，提高材料機(jī)械性能[5-6]。

4.2 減震器塔熱處理方式選擇

減震器塔是底盤重要承載件，需要承擔(dān)車體重量和行駛過(guò)程減震器的沖擊，需要高強(qiáng)度和韌度，通過(guò) T6處理的Silafont-36具有最高的強(qiáng)度和良好延伸率，因此減震器塔推薦選用T6處理[1]，如果需要更高的塑性，T7處理也能考慮，后期可通過(guò)CAE、鉚接等方式進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）汽車減震器塔通常采用鋼板沖壓成型后焊接的方式制造，工藝過(guò)程復(fù)雜且生產(chǎn)效率低，采用鋁合金壓鑄件代替鋼制焊接總成件，通過(guò)功能集成設(shè)計(jì)，降低零件數(shù)量，在確保產(chǎn)品綜合性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，基本料厚1mm～4.0mm，可實(shí)現(xiàn)單件減重率≥30%。

（2）高強(qiáng)韌鑄造鋁合金材料制造出的減震器塔，在高端車型上已經(jīng)得到較多應(yīng)用，綜合考慮鑄件的強(qiáng)度和韌性，采用 Silafont-36（AlSi10MgMn），主要成型工藝為高真空壓鑄方式，對(duì)鑄件進(jìn)行T6熱處理方式。