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大型薄壁铝合金减震塔砂型铸造技术研究
 作者简介
作者:阮明,石飞,冯志军,李宇飞, 沈阳铸造研究所,刘海峰,一汽铸造有限公司,姚红,陆军沈阳军代局驻沈阳地区军代室
摘自《铸造》2017年第4期

       减震塔属于汽车前轮减震器上盖零部件,装在汽车前端,承受非常大的动载荷,工作环境极其恶劣。目前,德国宝马公司已经利用高压真空压铸工艺成功制造了高精密的铝合金减震塔铸件,其重量比原钢板冲压件减少40%,如图1所示。该铸件采用的合金材料是由德国Rheinfelden Alloys公司自主开发牌号为Magsimal-59的AlMg5Si2Mn合金,该合金具有较高的屈服强度、伸长率和抗腐蚀性能。对于整体壁厚只有2~3 mm且承受较大动载荷的减震塔零部件,国内目前主要依靠钢板冲压或者多块部件铆接获得,对于整体铝合金减震塔铸件的研制仍处于空白状态。

             图1 德国BMWX5系列汽车用铝合金减震塔

       为了适应我国自主开发的轿车前轮的轻量化发展,本文研究了一种低成本、快速、小批量制造铝合金减震塔的铸造技术。实现了我国整体铝合金减震铸件从无到有的突破,对加速我国自主品牌汽车更新换代具有重要的战略意义。

 
铸件结构特点及技术难点

铸件结构特点

(1)铸件为“挖斗”状镂空结构,筋条纵横交错,外轮廓尺寸为584 mm伊327 mm伊414 mm,如图2所示。

(2)铸件表面积为7 228.81 cm2,铸件平均壁厚为2.5 mm,属于大型薄壁铸件。

(3)内外表面不允许加工,直接铸造成形。

(4)铝合金减震塔铸件承受非常大的动载荷和疲劳载荷,铸件对力学性能及疲劳性能要求较高。


                          图2 铝合金减震塔结构示意图


 
铸造技术难点

     (1)铸件完整充型困难

  研究表明,当铸件的壁厚小于4 mm时,液态金属表面张力引起的拉普拉斯力会严重影响充型液体的流动状态,同时粘滞力的作用也凸显;铸件表面积较大,热量散失快;这两个因素导致铸件完整充型困难,是铝合金减震塔铸件研制难点之一。

     (2)铸件尺寸精度较难控制

  铝合金减震塔铸件轮廓的长度超过500 mm,而且形状比较复杂,局部壁厚不均匀,对铸型材料、金属材料收缩的掌握不准时,较难满足铸件尺寸精度要求。此外,由于铸件为中空“挖斗”状结构,中间无支撑结构,热处理过程中极易产生变形。因此,铸件尺寸精度控制是本项目技术难点之一。

     (3)铝合金减震塔内部质量较难控制

  铝合金减震塔铸件筋条纵横交错,且存在多处壁厚过渡突然的地方,补缩困难,易形成缩孔、疏松缺陷。另外,铸件全表面要求100% X光探伤和荧光检测,内部不允许存在裂纹、缩孔、冷隔缺陷,局部缩松允许2级。

 
合金材料选择及制备

合金材料的选择

  德国宝马公司制造铝合金减震塔铸件采用的合金材料为AlMg5Si2Mn铝合金,但该合金只有在真空压铸的工艺条件下才能发挥其良好的力学性能。由于我国在这种大型薄壁复杂铸件高压真空压铸技术研究方面并不成熟,制造铝合金减震塔模具成本较高,周期长,而且风险较大。另外,基于减震塔的工作概况、强度要求及铸件结构特点,最终选择美国高强韧A357(AlSi7Mg) 铝合金进行减震塔的研制。该合金不仅具有优异的力学性能及耐腐蚀性能,而且还具备良好的铸造性能,例如流动性及补缩性能,可以满足减震塔整体壁厚2~3 mm的充型。

A357铝合金材料的制备

  A357合金铸件的优良性能是靠合金材质的高纯净度和显微组织致密来保证的,合金熔炼中的精炼净化和变质细化十分重要。通过仔细分析总结原有军品ZL114A合金材料熔炼技术,研究A357合金元素及杂质的控制工艺,结合合金液变质、细化和精炼方法的改进,开发A357合金材料熔炼和质量稳定控制技术,具体的A357合金制备工艺技术如下。

  (1)A357铝合金化学成分优化及控制技术

  首先从原材料的精度、纯度,原材料的存储、表面状态等进行控制,对操作的工具、坩埚、涂料等控制,保证合金熔炼不受到污染,通过这些控制技术保证A357合金杂质元素含量满足要求。在杂质元素得到控制的基础上,研究Mg、Ti等元素的化学成分的变化规律,进行Mg烧损规律的研究,优化Mg、Ti加入量,加入时间,加入方法和形式等,使增加合金强度的元素更靠近强度峰值对应的含量。从以上几个方面进行研究,可以在满足合金成分达到要求的基础上,进一步进行成分控制,为保证力学性能达标奠定坚实的基础。本研究的A357合金化学成分与美国A357合金标准的合金化学成分对比具体如表1所示。


(2)以降低含气量和夹杂物为中心的合金液净化技术

  本研究采用沈阳铸造研究所自主开发的“低温加硅”工艺技术,降低熔炼温度,减少合金吸气和氧化夹杂,提高合金液的纯净度。此外,采用高纯氩气旋转喷吹与熔剂复合精炼的技术进行精炼,利用喷头的旋转剪切作用,使高度弥散的氩气气泡均匀的弥散在合金液中并随之上浮,把渣、气吸附带至铝与熔剂界面处,被熔剂吸附,提高精炼效果。为了考察合金熔体的净化效果,本研究中采用预热至140~180 ℃的平板式金属模具,在接近705 ℃浇注预制块,如图3所示。

                                             图3 浇注预制块的金属模具结构示意图

       然后通过低倍观察常压凝固制成的预制块并判定针孔级别,采取以上措施极大地减少非金属夹杂、有害元素和气体含量,保证了A357合金熔体净化、精炼效果。由图4可以看出,本研究采用A357合金熔体净化技术使在常压凝固制成的预制块低倍针孔达到1级,其断口扫描无明显夹渣缺陷。

  (3) A357合金变质处理和组织细化技术

  Al-Si系合金的晶粒细化处理工艺,一直以来都是铸造领域的热点研究内容。本研究中采用多种元素复合细化的方法对A357合金进行晶粒细化处理。本研究采用沈阳铸造研究所自主开发的Al-Si系合金SR-1复合精炼变质细化剂,并用Al-5Ti-1B金属丝对该合金进行晶粒细化处理。合金的细化机理是利用化学反应生成晶粒细化所需的TiAl3、AlB2、TiB2等化合物,这些化合物与α(Al)有着相近的晶格常数,存在良好的共格对应关系,可以作为异质形核的质点,从而起到细化α(Al)晶粒的作用。图5是添加0.3%SR-1处理剂和Al-5Ti-1B金属丝处理前后合金的显微组织图,从图中可以看出,添加复合晶粒细化剂后合金晶粒得到显著的细化。

  Al-Si合金组织中共晶硅的形态对合金的力学性能有重要的影响,当硅含量较高时,合金中的茁相(共晶硅相) 呈粗大的片状或针状,严重割裂基体,并会在合金中产生应力集中,使铝硅合金的力学性能显著降低。当Al-Si合金中Si含量超过6%时,就需要进行变质处理。本研究中采用Al-Sr中间合金对A357合金进行变质处理,图6为A357合金变质前后的显微组织。

                                          图4 常压凝固预制块低倍针孔及断口扫描示意图


                            图5 添加SR-1和Al-5Ti-1B复合细化剂前后合金显微组织对比图


                                                   图6 A357合金变质前后显微组织

 
减震塔铸件完整充型控制

       沈阳铸造研究所前期曾经采用反重力铸造方式成功研制了大型高性能整体壁厚2 mm舱门铸件,为降低风险、成本和缩短研制时间,本研究采用精密砂型调压铸造成形技术,经优化浇注系统,厚度部位设置进行激冷研制铝合金减震塔铸件。反重力铸造具有以下特点:①可以根据铸件的壁厚随时调整合金熔体的充型速度;②金属液在压力下充型和凝固,能够有效地提高合金液的充型能力;合金在压力下凝固,有效提高铸件内部质量。

  在研究初期,合金液的浇注温度为740±5 ℃,充型速度为80 mm/s,结晶压力为10 kPa,保压时间为400 s的浇注条件下,浇注了减震塔铸件,低压铸造工艺参数如表2所示。

       由浇注的铸件表面检验结果发现,铸件出现局部未充满现象(图7中标注圈部位)。


                            图7 前期浇注的未完全充满减震塔铸件示意图

       经过分析,认为薄壁铸件在充型过程中热量损失大,充型能力急剧降低。为了提高铸件的充型能力,工艺设计中提出使用密排圆柱浇道,使得内浇道附近热量分散且分布均匀,充型平稳,利于充型和补缩,保证铸造充型完整;同时把合金液的浇注温度提升至(750±5)℃,充型速度提高至100 mm/s,在砂型表面涂刷一层保温涂料,并加强砂型的排气。经以上改进后,浇注的减震塔铸件充型完整。

 
铝合金减震塔尺寸精度控制

       铝合金减震塔铸件属于薄壁近净形复杂铝合金铸件,大部分尺寸不经机械加工就直接使用,整体铸件尺寸精度要求较高。因此,为了尽可能减少砂块数量,降低由于多个砂块组型引起的尺寸误差。本研究进行了减震塔分模设计及优化,最终确定减震塔1个整体外皮及1个整体内芯数模,在此基础上数控加工制造金属型外皮、内芯模具。另外,为防止型芯在浇注过程中漂移,在外皮砂型与内芯配合面设计成阶梯齿状,并设计相互配合圆柱销,保证定位准确,且型芯在浇注时不漂移,砂块数量及其之间的配合固定如图8所示。


                                         图8 砂块及其配合示意图

       由于铝合金减震塔整体呈“挖斗状”,整体壁厚较薄且中间无支撑结构,在热处理过程中极易产生变形导致铸件尺寸超差。因此,在铸件淬火之前进行了热处理防变形工装的制作,严格控制淬火水温,并在固溶后进行机械矫正,有效地防止了铸件在热处理过程中变形。采用的热处理制度为:固溶处理为(535±5)℃×10 h;淬火转移时间臆15 s,淬火水温为50~80 ℃;时效处理制度为(160±5)℃×5 h。

  为了检验实际浇注的铝合金减震塔铸件尺寸是否符合要求,对铸件进行全尺寸检测。由于铝合金减震塔铸件整体较薄且结构较为复杂,采用传统划线及卡尺检查无法准确获得铸件的整体尺寸。采用数字化三维扫描技术对铸件进行全尺寸检测,获得的铸件尺寸范围均在规定的范围之内,具体如图9所示。


               图9 铝合金减震塔尺寸数字三维扫描结果

 
      将低压浇注的铝合金减震塔进行100% X光射线检测,铸件整体内部质量较好,只在筋条交汇处及端面大平面部位有疏松和缩孔缺陷,如图10所示。

  分析其原因:①筋条交汇处是热节,易出现过热;②端面大平面部位浇道直径较小,而该部位表面积较大,合金热量较大,凝固迅速又得不到补缩,从而形成缩孔或疏松。针对该问题,对铝合金减震塔铸件的铸造工艺方案进行了改进,在筋条对应部位采用冒口与冷铁间隔配合,保证冒口补缩,冷铁起到激冷细化组织作用;在端面平面部位将内浇道增大,并增大结晶压力,使该部位获得较好的补缩。经生产验证,解决了缩孔和疏松缺陷,产品质量良好。

                                               图10 铝合金减震塔内部质量检测结果

       由于铝合金减震塔铸件承受较大的动载荷和疲劳载荷,铸件对力学性能及疲劳性能要求较高。因此,为了获得铸件本体力学性能,本研究对铝合金减震塔进行了解剖,如图11所示。并对解剖的试样进行了力学性能拉伸试验,铸件本体力学性能如表3所示。


                                                       图11 拉伸试样选取位置示意图


       由表可知,A357合金减震塔铸件不同部位的本体力学性能基本一致,无明显异常现象。

 
结论

      (1)通过控制原料纯度、合金成分控制,合金熔体净化、合金变质及晶粒组织细化,可以获得本体各向同性、力学性能优异的A357铝合金减震塔铸件。

  (2)采用精密砂型调压铸造方法,优化浇注系统,在筋条交接厚壁处进行激冷的铸造工艺,高过热度浇注,并结合保温涂料及增强砂型排气,获得充型完整、内部质量优良的铝合金减震塔铸件。

  (3)通过减震塔分模设计及优化,采用整体外型及内芯分型面阶梯齿状配合,定位销与定位套镶嵌固定的方式,并结合热处理防变形工装,使铸件尺寸满足设计要求。

  (4) 本研究开发的铸造技术可满足铝合金减震塔小批量制造需求,具有较大的应用潜力。



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2017中国有色合金及特种铸造展览会
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会议
2017年7月16-18日
上海万和昊美艺术酒店

展览会
2017年7月19-21日
上海新国际博览中心W4、W5馆

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地点
上海新国际博览中心(浦东新区龙阳路2345号)

时间
2025年7月16日   上午09:00-下午17:00
2025年7月17日   上午09:00-下午17:00
2025年7月18日   上午09:00-下午17:00