压铸高强韧铝合金汽车底盘结构件的组织与力学性能

1 铸件的结构及开发技术要点

某汽车底盘结构件见图１，其轮廓尺寸为677.79mm×115.40mm×232.42mm，质量为2.6ｋｇ，平均壁厚为3.5ｍｍ，体积约为9.88×105mm^3。铸件投影面积为86300mm^2，材质为Al-8Si-Mn-Mg合金。该铸件有多处厚壁热节部位，易形成缩孔。铸件外观品质要 求：无明显的压铸流痕，不能有明显的龟裂纹，表面不能有气泡；铸件内部品质要求：一般铸造位置孔洞在１mm以下，凸台、厚肉部位要求孔洞在  ２mm 以下；铸件内部含气量要求：铸件填充末端指定部位每100ｇ铝 含气量要低于15ｍＬ，内浇口指定部位要低于10mL； 铸件力学性能（T5处理后）要求：抗拉强度为220ＭＰａ， 屈服强度为150ＭＰａ，伸长率≥５％，冲击韧度≥6.0Ｊ /ｃｍ２，螺纹拉伸试验 Ｍ１０≥６０ｋＮ，Ｍ１２≥８５ｋＮ，硬度 （ＨＲＢ）为30；铸件耐疲劳试验要求：正常工况下，在指 定点上承受6.1～－4.8ｋＮ的作用力，频率为２Ｈｚ，循 环20000次不允许破损，试验工况下循环次数40000次不允许有破损。根据以上要求，该铸件生产难度较大。



在铸件开发过程中，为了缩短开发的周期，应用数值模拟软件进行分析，并参照实际生产参数，采取４种不同的浇注方式（见图２）。方案１和方案２采用梳形的浇注方式，方案３和方案４采用扇形的浇注方式；方 案１与方案２相比，方案１采用进料较集中的方式而方案２采用进料较分散的方式；方案３与方案４相比，方 案３的主横浇道较短而方案４的主横浇道较长。使用 Ｍａｇｍａ软件对以上４种方案进行模拟分析。结果表明：方案１浇道过于平直，能量损耗大，并且内浇口进浇不同步，较乱；方案２填充时两侧流道卷气，凝固分析铸件两侧螺纹孔有收缩孔；方案３浇道过短，不利于高真 空压铸工艺的应用；方案４铸件中间浇注处温度较高， 该处模具冲蚀的可能性较大。从填充流态、凝固收缩、 温度等综合考虑，方案４较优。



2 压铸工艺参数优化试验

采用意德拉16000ｋＮ的卧式冷室压铸机进行生产，压铸机配有实时压射控制系统。 真空阀为具有自主知识产权的液压式高真空截止阀（见图３），并配以高真空控制系统，实现型腔与压室双向抽真空；模具型面使用直径为１０ｍｍ 的硅胶条密 封（见图４）；模具冷却采用油性介质并配以热电偶精确模温控制；型芯针的冷却采用高压水质冷却；喷涂采用 ＡＢＢ机器人自动喷涂。 　　

试验材料采用高强韧的 Al-8Si-Mn-Mg合金，具体化学成分见表１。



为了获得最优的压铸机设置参数与高真空行程的组合，在设定铝合金温度为690 ℃，模温为200 ℃的条件下对７组参数组合进行了试验（见表２）。 　　

对铸件进行着色渗透检测，结果表明铸件表面无成形不良、冷隔、裂纹、鼓泡等缺陷（见图５）。 　　

用Ｘ光射线对铸件的内部品质检测，结果表明平板位置没有发现气缩孔，铸件的凸台、厚壁位置同样没有发现气孔、缩孔、缩松（见图６）。 　　

综合以上分析可知，慢压射速度为0.3ｍ／ｓ，真空位置为480ｍｍ，压铸速度为4.0-4.5ｍ／ｓ，铸造压力 为７６ＭＰａ左右，快压射距离为620ｍｍ 是最佳参数组合。





3 力学性能测试与分析

3.1真空对压铸件组织和力学性能的影响

表３为铸态下高真空压铸件和普通真空压铸件的性能对比。由表3可以看出，高真空 （真空度为 ９７ ｋＰａ）压铸件的密度较高，意味着压铸件内部含气量少。与普通真空（真空度为６５ｋＰａ）压铸件相比，高真空压铸件的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别提高了 ２１％、２９％、１８％、１０％，表明高真空压铸对于提高结构件的力学性能具有较好的促进作用。



图７为高真空压铸和普通真空压铸时的合金显微 组织。无论是高真空压铸还是普通真空压铸，　图７为高真空压铸和普通真空压铸时的合金显微 组织。无论是高真空压铸还是普通真空压铸，Al-8Si-Mn-Mg铝合金组织均由较为粗大的 α １－Ａｌ和细小圆整 的 α ２－Ａｌ，以及细小枝晶状的共晶Ｓ ｉ等组成。虽然合金中的Ｆｅ含量较低，但仍可观测到少量颗粒状的富 Ｆｅ 相。由于压力铸造是在高温高压下，金属液以极短的时间填充型腔并凝固成形，这种较大的冷却速度可使液态金属获得较大的过冷度，从而增加了形核数，提高了形 核速率，使共晶Ｓ ｉ得到了细化，并抑制针片状 ＡｌＳｉＦｅ 相的生成。由于真空度不高，在普通真空条件下，可观察到铸件内部存在非常细小的气孔缺陷。



3.2热处理对高真空压铸件性能和组织的影响

3.2.1力学性能

铸件需进行时效热处理，热处理条件为２００ ℃×２ ｈ。然后对铸件的筋条指定位置（部位１、 ２、 ３）取样进行拉伸试验（见图８），结果见表４，可以看出，压铸件的力学性能随着压铸工艺不同而不同。




从表４可以看出，高真空压铸与普通真空压铸相比，抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度都有了明显的提高，其中抗拉强度提高了约２１％，屈服强度提高了约 ２９％，伸长率提高了约１８％，硬度提高了约１０％，由此可知，高真空压铸显著提高了压铸件的强度和硬度。

3.2.2冲击韧度

对压铸件的筋条指定位置（部位１、 ２、 ３，该位置点为力学性能检测的位置取样点）进行冲击试验，从表５ 的试验结果可以看出，高真空压铸件的冲击韧度完全符合铸件的要求。



3.2.3螺纹拉拔

对铸件的 Ｍ１０与 Ｍ１２螺纹孔进行螺纹拉拔试验， Ｍ１０螺纹在６６ｋＮ、Ｍ１２螺纹在８５ｋＮ 作用下没有发生变化，表明高真空压铸件的螺纹完全符合受力要求。

3.2.4耐疲劳试验

铸件经410150次耐久性试验后，荧光检测显示铸件表面没有出现裂纹，结果表明高真空压铸件的耐疲劳性达到技术要求。

3.2.5含气量检测

含气量测试见表２。从表６的试验结果可以看出， 内浇口部位铸件本体每１００ｇ　Ａｌ的含气量在８.９ｍＬ 以下，水尾溢流槽部位铸件本体每１００ｇ　Ａｌ的含气量在１２ｍＬ以下，完全符合铸件要求。



4 结　论

（１）应用数值模拟，优化了汽车底盘结构件的压铸成形工艺及高真空压铸工艺参数，制造出了外部、内部品质符合要求的高品质铸件。

（２）高真空压铸可以明显改善结构件的力学性能。 与普通压铸相比，高真空压铸时铸件致密度提高，铸件的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别提高了 ２１％、２９％、１８％、１０％。

（３）铸件的耐久、拉拔、含气量检测结果均符合产品的技术要求，满足批量生产条件。