汽车铝合金副车架铸造工艺设计范文

1挤压铸造工艺设计及优化

1.1副车架结构特点如图1所示，副车架外形尺寸为940mm×560mm×230mm，结构上左右对称，两端结构复杂，中间段结构相对简单。铸件正面有较多的半封闭内腔结构。铸17件壁薄（平均壁厚约10mm），壁厚差大，最薄壁厚6mm，两侧安装孔位置壁厚达到40mm。铸件体积约5.6×10-3m3，总重约15kg。

1.2浇注系统设计浇道是合金液从冲头压室进入型腔的通道，浇注系统的设计，应该使金属液以一定的速度，平稳而顺序的充满型腔。浇注系统与金属液在型腔的流动，挤压力的传递，凝固过程的热平衡等密切相关。浇注系统设计的好坏直接影响到铸件的成形质量[10-11]。冲头压室的直径根据实际的挤压压力，金属液的容量等信息确定，副车架挤压铸造试制过程中冲头压室直径为Φ170mm。内浇道直接与型腔相连，其位置、形状和大小决定了进入型腔的金属液的流速和流向，影响产品的成形质量。由于副车架产品结构复杂，尺寸较大，设置多个内浇道有利于金属液的充型，并减少浇不足、冷隔等风险。副车架是一个左右对称的产品，因此内浇道在布置的时候也设计为左右对称。内浇道的位置位于铸件侧壁的边缘，方便浇注系统的去除。具体的浇注系统如图2所示，左右各布置10个内浇道，各浇道横截面积如表1所示，总面积为5778mm2。基于上述的浇注系统，清华大学使用其提出的热-力耦合模拟方法对铸件的凝固过程进行了计算，在模拟中考虑了热收缩和相变收缩，界面传热与变形之间的相互作用，以及材料凝固和受力状态下的力学行为，模拟结果如图3、图4所示。图3清晰的表示了挤压铸造凝固过程中冲头的位移。图4描述的是铸件凝固过程中液相的变化，其中深灰色的部分表示未凝固的部分。铸件中间部分由于结构较简单，壁厚较薄，凝固较快，而两侧结构相对复杂，凝固较慢。当t=17.5s时，铸件的大部分已经凝固，但是仍然有较多的孤立熔池，这些最后凝固的部分往往因为得不到有效地补缩而容易产生收缩缺陷。为了减少缩孔缩松缺陷，根据模拟结果对挤压铸造工艺过程进行了优化，增大1#和7#内浇道的横截面积（根据对称性，铸件右侧的相应位置的内浇道横截面积也增加），有利于挤压力的传递，同时在A、C、B、D四个位置实施局部加压，具体的做法是在金属液充满型腔但未完全凝固的时候，位于A、C、B、D四个位置的二次挤压冲头启动，实施局部多点挤压，局部加压的比压约为250MPa，在压射终了延时3～5s后启动。使得该位置的金属液能够保持在较高的压力下凝固，从而减少收缩缺陷。

1.3挤压铸造副车架的研制挤压铸造副车架产品的工艺流程为：合金熔炼—精炼除气—挤压铸造—T6热处理—机械加工—性能检测—表面处理。合金为A356铝合金，合金成分见表2。熔炼过程中使用N2精炼，同时加入一定量Al-Ti-B和Al-Sr分别用于细化晶粒和改善共晶硅的形貌。由于产品尺寸大、结构复杂，副车架的试制在SCV-2500型立式挤压铸造机上完成，该设备提供2500t的锁模力。挤压铸造过程中浇注温度约700℃，模温机设定的模具温度为250℃，冲头主压射比压约97MPa，保压时间20s，在充型过程中，冲头移动的速度为0.1m/min，充型末期，冲头移动速度可达到0.2m/min。局部加压的比压约250MPa，在压射终了延时3～5s后启动。对挤压铸造件做X光检测，观测位置如图5所示，由于结构的对称性，图中只在铸件的左半部分标注观测位置1-6。X光检测结果如图6-图9所示，从图6和图7可以看出，在初始工艺条件下，铸件在观测位置1，2，4，5，6都有不同程度的缩孔缩松缺陷，而这些区域正是模拟计算中对应的最后凝固的部位（如图3所示）。具体来看，参考GB/T9438－2013，铸件的缩孔缩松按照缺陷的等效圆直径可分为8级，1级最轻，8级最严重。关键区域位置1有不明显的2级缩孔，位置3无缺陷，位置4有3级缩孔，而对于一般区域，位置2存在3级缩孔，位置5存在3级缩孔，位置6存在4级缩孔。工艺优化后，由于扩大了位置1和位置6附近的内浇道截面积，有利于挤压力的传递，同时在位置4和位置6局部加压，使得该区域的金属液能保持在较高的压力下凝固，从X光检测结果来看，工艺优化后，位置4存在远离安装孔的1级缩孔，位置2存在1级缩孔，其他位置没有缺陷。优化工艺显著减少了副车架的缩孔缩松缺陷。

1.4挤压铸造副车架产品图10为工艺优化后的挤压铸造副车架产品，可以看出，铸件成形质量好，铸件正面的半封闭腔状结构以及其他筋板结构成形完整，没有出现冷隔，浇不足等铸造缺陷。表面光洁度高，除了一些必要的安装孔位置外，并不需要额外的机加工工序。

2组织观察与力学性能分析

将铸件做整体热处理，热处理工艺为T6，具体的工艺参数为固溶温度535℃，固溶时间4h，时效温度155℃，时效时间5h。按照图5所示的方案对副车架本体进行取样以分析其微观组织特征。金相试样经过粗磨、精磨、机械抛光后根据工艺的不同采取不同的腐蚀方案。铸态试样采用电解腐蚀方案，腐蚀剂为高氯酸与无水乙醇混合液，二者按照1∶9的体积比混合，电解参数为电压20V，电流0.5A，腐蚀时间约6s。热处理态试样采用苛性钠腐蚀方案，腐蚀剂为质量分数1%的NaOH水溶液，腐蚀时间约20s。腐蚀完成的试样经超声振动清洗后用AXIO金相显微系统进行组织观察。图11-图12分别为铸件铸态和热处理态不同取样位置的微观组织，图13为铸态和热处理态的共晶硅形貌。根据Al-Si二元合金相图，A356铝合金属于亚共晶合金，在凝固过程中先生成α-Al树枝晶（如图13a中的浅色部分），然后在枝晶间析出Al-Si共晶体[12-13]（如图13a中的深色部分）。从图11可以看出，不同位置的枝晶形貌相似，枝晶臂的大小和粗细基本一致，α-Al基体和共晶成分的比例也大致相当，说明铸件不同位置的组织一致性较好。在共晶温度下，Mg和Si在α-Al中的溶解度分别为1.17%和0.68%[14]，而Mg和Si在合金中的实际含量分别为0.35%和7.47%（见表2），因此，在固溶处理过程中，Mg基本上能溶入α-Al基体中，但是绝大部分的Si没有溶入基体而是存留在枝晶间，如图12中的深色部分，在固溶过程中，未溶解的共晶Si逐渐球化，由铸态的纤维状逐渐转变为颗粒状，如图13所示。此外，一般认为在时效处理中，α-Al基体中的Mg和Si因为溶解度下降以Mg2Si相弥散析出。直接从铸件本体取样以分析材料的力学性能，结果表明，经过T6热处理强化后，本体材料的抗拉强度可达到280MPa，屈服强度可达到225MPa，伸长率可达到8.1%，硬度为HB95。

3结束语

（1）设计和开发了铝合金副车架的挤压铸造工艺方案，并使用数值模拟技术对工艺进行了优化。挤压铸造过程中浇注温度约700℃，模具温度为250℃，冲头主压射比压约97MPa，保压时间20s，在充型过程中，冲头移动的速度为0.1m/min，充型末期，冲头移动速度可达到0.2m/min。局部加压的比压约250MPa，在压射终了延时3～5s后启动。通过挤压铸造副车架的试制表明，优化工艺显著减少了铸件的缩孔缩松缺陷。（2）对铸件本体取样以研究其微观组织，结果表明，在挤压铸造工艺条件下，铸件组织均匀。经过T6热处理强化后材料的抗拉强度可达到280MPa，屈服强度可达到225MPa，伸长率可达到8.1%，硬度为HB95。

作者：孙珏许善新 汤杰 王非凡 韩志强 单位：苏州三基铸造装备股份有限公司 清华大学材料学院 先进成形制造教育部重点实验室