鋁合金車體壓鑄結(jié)構(gòu)件控制要素的剖析

作者：熊儀 
核心提示：一、概述在美國特斯拉新能源汽車推出以前，德國斯圖加特汽車研發(fā)中心及萊茵公司就有關(guān)鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件的材料和工藝等方面進(jìn)行了
一、概述
在美國特斯拉新能源汽車推出以前，德國斯圖加特汽車研發(fā)中心及萊茵公司就有關(guān)鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件的材料和工藝等方面進(jìn)行了有效的研發(fā)工作，并在相關(guān)的車型上得到了應(yīng)用。
新能源汽車的推出，導(dǎo)致了一場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車的革命，并預(yù)示著汽車智能化開啟的前景………，而車體壓鑄結(jié)構(gòu)件的推出將進(jìn)一步拓展鋁合金壓鑄產(chǎn)品的應(yīng)用空間，對(duì)汽車輕量化將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
從傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型的變革中，車體結(jié)構(gòu)件采用鋁合金壓鑄整體結(jié)構(gòu)緊湊，剛性增強(qiáng)，重量得到減輕，這些優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)，但要實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)轉(zhuǎn)型和變革，許多技術(shù)要素尚要認(rèn)真剖析和討論
二、車體壓鑄結(jié)構(gòu)件的控制要素
1、車體結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖與壓鑄鑄件圖的協(xié)調(diào)，產(chǎn)品圖涉及的合金材料選材，關(guān)系到鑄造工藝性及其合理可行性，按ASTMB85鋁合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壓鑄合金的壓鑄特性應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)件重要部位的應(yīng)力負(fù)荷區(qū)域要標(biāo)示清楚，以備進(jìn)行壓鑄件切取試樣檢驗(yàn)提供依據(jù)，以保證結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，如此這些是以往常規(guī)鋁合金壓鑄少見的。
2、結(jié)構(gòu)件壓鑄模設(shè)計(jì)與制造、澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模流分析
壓鑄模的工藝設(shè)計(jì)、澆排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模具冷卻及加熱系統(tǒng)的熱平衡布局以及關(guān)鍵的澆口截面與比例的設(shè)計(jì)等技術(shù)方案要合理可行，并保證產(chǎn)品高應(yīng)力區(qū)的質(zhì)量，必要時(shí)可適當(dāng)提高按投影面積選擇壓機(jī)鎖模力的噸位以及真空壓鑄能力。
3、壓鑄結(jié)構(gòu)件的合金選材
壓鑄結(jié)構(gòu)件一般力學(xué)性能的高塑性要求是突出特點(diǎn)，而選擇合金化學(xué)成分既要考慮性能，也要兼顧壓鑄件成型要求和壁厚均勻程度，歐洲已進(jìn)行的壓鑄結(jié)構(gòu)件合金選材工作，大致歸納為下表：

我們?cè)囍蒲兄频氖荊M-1組化學(xué)成分
其力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度≥250Mpa，延伸率≥10%，根據(jù)性能要求，結(jié)合GM-1化學(xué)成分組成和其產(chǎn)品圖的結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)進(jìn)行了多組分的分爐分批次的試制測(cè)試。選擇接近共晶成分的硅元素是滿足該壓鑄產(chǎn)品的壁薄、形狀復(fù)雜的成型需要，加入硅的另一特點(diǎn)是新近顯微研究分析表明，在鑄件凝固過程中，硅元素產(chǎn)生膨脹，減少了收縮，并且與其他元素產(chǎn)生的熱裂傾向達(dá)到平衡作用，對(duì)鑄造應(yīng)力也有一定抑制。但是硅元素降低液態(tài)合金中氫氣溶解度，以至含硅較高特別是接近共晶成分的含硅合金孔洞缺陷是最大弊端。嚴(yán)格控制鐵含量是高塑性能所必需的，至于壓鑄件粘模問題，外加適當(dāng)?shù)腻i可以起到類似的作用。以下就有關(guān)諸元素的金相圖譜示意，它們?cè)诤辖鹬械淖饔眉右越庾x，就壓鑄鋁合金而言，添加Cu或Mg是通常的基體強(qiáng)化元素，即相應(yīng)形成Al2Cu或Mg2Si強(qiáng)化相，通過壓鑄過程中的激冷使其部分固溶強(qiáng)化，而對(duì)壓鑄件采用T1時(shí)效處理，其也對(duì)固溶部分產(chǎn)生析出硬化而實(shí)現(xiàn)性能的提高。
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圖1：共晶AL-SI類合金的孔洞典型缺陷

圖2：壓鑄鋁合金中AL3Fe\AL6Mn化合物
高塑性壓鑄鋁合金雖然高速冷卻速度可以抑制AL3Fe長(zhǎng)大，但它的針狀組織形態(tài)對(duì)高塑性是致命的，故采用加Mn形成方塊的AL、Mn化合物代替鐵實(shí)踐證明是有效可行的。
鍶的長(zhǎng)效和對(duì)壓鑄共晶Al-Si類合金的變質(zhì)是有效的，雖然它有吸氫傾向，但可在合金的強(qiáng)化凈化工藝中解決。

圖3：鍶的變質(zhì)效果對(duì)比
從圖3的鍶的變質(zhì)效果看出這種變質(zhì)后共晶硅的形態(tài)是高塑性所盼求的。
4、合金熔煉與凈化
由于車體壓鑄結(jié)構(gòu)件對(duì)力學(xué)性能的要求，決定了它必須通過熱處理來實(shí)現(xiàn)，而壓鑄件的熱處理特別是固溶處理，對(duì)合金的凈化和真空壓鑄是有特殊要求的，故對(duì)車體結(jié)構(gòu)件合金液處理既要除氣同時(shí)也要除渣，必要時(shí)尚需加熔劑處理。試驗(yàn)表明，鋁液中AL2O3的夾渣對(duì)精煉中的氫氣有極強(qiáng)的吸附作用，將形成吸附核心，使其難于去除，凈化處理的目的就是兼顧其雙重作用，凈化處理的下圖裝置時(shí)間證明是有效的。

5、真空壓鑄
鑒于車體結(jié)構(gòu)件性能的特殊要求，以及壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)車體結(jié)構(gòu)件一般采用真空壓鑄，而采用專用的真空壓鑄機(jī)實(shí)踐證明是最佳選擇，如德籍的富萊真空壓鑄機(jī)反映良好，真空壓鑄機(jī)可將經(jīng)凈化良好的合金液壓鑄成基本無缺陷的產(chǎn)品，當(dāng)然其中參數(shù)的優(yōu)化和模具的設(shè)計(jì)制造的準(zhǔn)備及涂料噴涂等都要與其相適應(yīng)。真空壓鑄件的質(zhì)量好壞與熱處理最后性能密切相關(guān)。壓鑄機(jī)鎖模力噸位選擇，可按車體結(jié)構(gòu)件重要性優(yōu)化，必要時(shí)可按一般投影面積選擇高一級(jí)別的機(jī)型。確保結(jié)構(gòu)件質(zhì)量安全。
6、熱處理
對(duì)于鋁合金車體結(jié)構(gòu)件的熱處理，至目前知道的信息表明，國內(nèi)外一般采用的是固溶處理加高溫時(shí)效，即是T7處理，筆者主編的國家軍標(biāo)GJB1695鑄造鋁合金熱處理規(guī)范中對(duì)T7熱處理規(guī)范有專門的列述，它是國防科工委批準(zhǔn)頒發(fā)的，由國家航空工業(yè)多家企業(yè)驗(yàn)證，我們?cè)诤虶M公司總冶金師討論溝通中也得到認(rèn)可，實(shí)踐中也得到驗(yàn)證，對(duì)保證合金的高塑性是可行的。
需指出的是，固溶處理和高溫時(shí)效規(guī)范的確定視合金成分和壓鑄件具體情況而定，包括處理的溫度保溫時(shí)間亦如此，具體規(guī)范可參照GJB1695有關(guān)合金系列進(jìn)行。
綜上對(duì)車體壓鑄結(jié)構(gòu)件控制要素的剖析，涉及的工藝要點(diǎn)頗多，僅是對(duì)已實(shí)踐的歸納，很難以概論全，不少論點(diǎn)尚值得商榷和進(jìn)一步驗(yàn)證。
三、討論：
1、車體壓鑄結(jié)構(gòu)件取代的是原變形鋁的部分型材板材，比較多的是沖壓件、鉚接和焊接件，雖從車體整體結(jié)構(gòu)緊湊，剛性和減輕重量方面優(yōu)勢(shì)明顯，但從結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，使用壽命以及對(duì)現(xiàn)有壓鑄操作手段全面衡量起來尚有完善之處，特別是對(duì)壓鑄件的質(zhì)量偶然性和內(nèi)部質(zhì)量的不穩(wěn)定怎么防患于未然，尚值得進(jìn)一步深究。
2、建立健全相關(guān)對(duì)車體壓鑄結(jié)構(gòu)件的檢驗(yàn)手段，包括對(duì)現(xiàn)有常規(guī)手段的細(xì)化，深化，特別是通過定期抽檢設(shè)計(jì)指定部位的切取樣件的性能測(cè)試，通過穩(wěn)定工藝和過程控制來實(shí)現(xiàn)壓鑄件質(zhì)量穩(wěn)定等。
3、嚴(yán)格鋁合金結(jié)構(gòu)件試制與定型的評(píng)估，設(shè)計(jì)與工藝的評(píng)估，必要時(shí)對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件要執(zhí)行會(huì)簽制度，這在航空工業(yè)中有較成功的先例和成熟的經(jīng)驗(yàn)可以參考。
4、對(duì)于外貿(mào)的相關(guān)壓鑄結(jié)構(gòu)件，可以通過客戶的質(zhì)量要求，提高相應(yīng)的檢驗(yàn)級(jí)別，條件不充分的創(chuàng)造條件，以外促內(nèi)，提升壓鑄件質(zhì)量水平，適應(yīng)外貿(mào)市場(chǎng)需求。
5、實(shí)行以企業(yè)為中心的產(chǎn)校研結(jié)合的研發(fā)體制是可行的，特別是企業(yè)研發(fā)力量薄弱的情況下更是最佳選擇。
6、近期，對(duì)討論比較多的共晶Al-Si合金中強(qiáng)化元素是否可以疊加的問題，筆者的看法是：就目前國內(nèi)外壓鑄鋁合金的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，除過共晶Al-Si之外，如美國的390或日本的ADC14及我國的YL-117等過共晶AL-Si合金，它們的共同特點(diǎn)是將強(qiáng)化元素Cu和Mg同時(shí)疊加加入的，這是基于過共晶的Si的共晶組織可以包容其強(qiáng)化相的共存，但對(duì)這類合金必須有相應(yīng)加磷變質(zhì)手段，以及相應(yīng)的澆鑄工藝控制措施，以抑制初晶Si粗大組織出現(xiàn)而給機(jī)加工造成困難。