原標(biāo)題：擠壓鑄造高強(qiáng)度汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件工藝

摘要：采用擠壓鑄造工藝開展了400 MPa級(jí)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件的研制工作，通過Al-Si-Cu-Mg合金成分優(yōu)化、擠壓鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化、擠壓鑄造模具設(shè)計(jì)及制造、轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造工藝試驗(yàn)等工作，成功開發(fā)出高強(qiáng)度鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件。鑄件本體的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，伸長率和布氏硬度（HB）分別達(dá)到454.6 MPa, 409.2 MPa，6.2%，137.2。

當(dāng)前，隨著汽車輕量化的不斷深入，約占整車質(zhì)量20%左右的汽車底盤零部件輕量化受到了極大的關(guān)注，采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)替代傳統(tǒng)的鋼鐵材質(zhì)是重要的發(fā)展方向。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要功能零件，既承載一定的車體質(zhì)量，又在汽車行駛過程中承受交變載荷和剎車時(shí)的力矩，是確保汽車安全行駛的重要安保零件之一。為了滿足強(qiáng)度上的需要，目前國內(nèi)大多數(shù)轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn)依然采用球鐵鑄造成形，無法滿足汽車進(jìn)一步輕量化的需要。

擠壓鑄造工藝是鑄造和模鍛相結(jié)合的一種近凈成形工藝方法，適合生產(chǎn)高性能要求鋁合金鑄件。由于合金液是在沖頭較大機(jī)械壓力作用下充型并在壓力下凝固，鑄件力學(xué)性能得到顯著提升，性能可接近鍛件性能水平。目前，國內(nèi)外針對(duì)汽車底盤鋁合金鑄件擠壓鑄造工藝開展了一定的研究工作，取得了一定的成果，但性能指標(biāo)大部分處于300 MPa級(jí)，對(duì)于性能達(dá)到400MPa級(jí)的鑄件產(chǎn)品報(bào)道較少。本課題選用Al-Si-Cu-Mg合金材質(zhì)試制轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件，采用“間接擠壓鑄造”工藝，所開發(fā)的轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄件品質(zhì)達(dá)到了設(shè)計(jì)單位的要求。

1、Al-Si-Cu-Mg合金成分優(yōu)化

選用的Al-Si-Cu-Mg合金其化學(xué)成分范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：6.0%~6.6%的Si，3.5%~4.5%的Cu， 0.15%~0.30%的Mg，0.05%~0.30%的Ti，其余為Al。為了獲得較佳的合金力學(xué)性能，為轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件本體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求奠定材料基礎(chǔ)，對(duì)該合金材料化學(xué)成分進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1是Si含量分別在6.0%、6.2%、6.4%以及6.6%時(shí)合金的力學(xué)性能。可以看出，隨著Si含量提高，合金抗拉強(qiáng)度和伸長率都有不同程度的降低。該合金加入Si元素的目的是提高合金的流動(dòng)性，但轉(zhuǎn)向節(jié)所采用的鑄造工藝為擠壓鑄造工藝，合金是在較大壓力下充型，對(duì)其充型能力的要求不高，因此，為了保證合金具有較高的力學(xué)性能，將Si含量取值設(shè)定為合金成分范圍的下限，即Si含量為6.0%。

圖1：不同Si含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響（熱處理狀態(tài)T6處理）

圖2是Cu含量分別在3.7%、4.0%、4.2%以及4.5%時(shí)合金的力學(xué)性能。可以看出，隨著Cu含量提高，合金抗拉強(qiáng)度以及伸長率都有不同程度的增加。由于合金中Cu含量提高會(huì)增加合金的熱裂敏感性，而轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且采用擠壓鑄造工藝，如采用Cu含量較高的合金成分，極易出現(xiàn)熱裂缺陷，因此，將合金的Cu含量設(shè)定為成分范圍的下線，即Cu含量為3.7%。

圖2：不同Cu含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響

圖3是Mg含量分別在0.15%、0.2%、0.25%以及0.3%時(shí)合金的力學(xué)性能。可以看出，隨著Mg含量提高，合金抗拉強(qiáng)度和伸長率都有不同程度的增加。由于Mg元素在合金熔煉過程中容易燒損，因此，為保證Mg元素符合該合金成分范圍，將合金的Mg含量設(shè)定為成分范圍的上線，即Mg含量為0.3%。

基于此，確定了試驗(yàn)用合金的化學(xué)成分，即6.0%的Si，3.7%的Cu，0.30%的Mg，0.05%~0.30%的Ti，其余為Al。

圖3：不同Mg含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響

2.轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件擠壓鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

采用自主開發(fā)的8 000 kN級(jí)擠壓鑄造成形設(shè)備生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件。結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)要求，開展了轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件擠壓鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作。圖4是轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件間接擠壓鑄造工藝三維數(shù)模圖及模擬結(jié)果，采用垂直擠壓方式成形轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件，并在鑄件中心位置添加局部擠壓，以解決遠(yuǎn)離沖頭位置由于壓力損失而產(chǎn)生鑄造缺陷和力學(xué)性能偏低的問題。從模擬結(jié)果上看，鑄件缺陷均出現(xiàn)在加工余量位置以及集夾槽位置，鑄件本身未出現(xiàn)鑄造缺陷問題。

圖4：轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件擠壓鑄造工藝

3.轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件擠壓鑄造模具設(shè)計(jì)

間接擠壓鑄造工藝是目前主流的擠壓鑄造成形工藝，該工藝可實(shí)現(xiàn)合模成形、滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件成形的需要，且尺寸精度高，可滿足近凈成形的要求。為了保證轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件的尺寸精度，采用了間接擠壓鑄造成形工藝，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造成形模具（見圖5）。該模具的主要工作過程是：首先，臥式擠壓機(jī)動(dòng)模板帶動(dòng)動(dòng)模運(yùn)動(dòng)，與定模閉合完成鎖模動(dòng)作；之后，將金屬液澆入到壓室之中，臥式擠壓鑄造機(jī)擠壓缸帶動(dòng)擠壓活塞向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)金屬液向上充型，當(dāng)金屬液完成充型之后，保壓一段時(shí)間使金屬液在壓力下完成凝固，保壓結(jié)束后，動(dòng)模帶動(dòng)鑄件移動(dòng)完成開模過程，當(dāng)移動(dòng)到一定距離之后觸碰到頂桿機(jī)構(gòu)，完成轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件脫模過程；最后，移出轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件，向定模和動(dòng)模型腔噴涂脫模機(jī)，完成整個(gè)工藝過程。

圖5：轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件擠壓鑄造模具結(jié)構(gòu)示意圖

4.轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件試制結(jié)果與分析

4.1 擠壓力對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量的影響

圖6是擠壓力為60 MPa條件下，轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件無損探傷檢測情況。可以看出，轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件存在較為嚴(yán)重的縮孔、縮松缺陷，特別是厚壁位置，以及遠(yuǎn)離擠壓沖頭和局部擠壓沖頭位置缺陷更加嚴(yán)重。分析認(rèn)為，在擠壓鑄造加壓過程中，由于沖頭的加壓過程與鑄件凝固過程同時(shí)進(jìn)行，鑄件薄壁位置凝固較快，會(huì)成為一個(gè)“支撐點(diǎn)”，從而阻礙沖頭對(duì)尚未凝固的厚大部位進(jìn)一步擠壓，該部位得不到補(bǔ)縮而出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。另外，在間接擠壓鑄造過程中，由于已凝固的結(jié)晶硬殼與鑄型壁之間存在“摩擦力”，加之此硬殼的“支撐”作用，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)補(bǔ)縮液態(tài)金屬流的“阻礙”作用，使遠(yuǎn)離沖頭和局部擠壓的鑄件部位實(shí)際上受到的擠壓壓力遠(yuǎn)低于工藝設(shè)定的擠壓力，存在較大的“壓力損失”，導(dǎo)致鑄件一些部位生產(chǎn)較為嚴(yán)重的冶金缺陷問題。

為了解決上述問題，將擠壓力提高了1倍，即達(dá)到120 MPa，圖7是轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件在擠壓力為120 MPa條件下無損探傷結(jié)果。可以看出，鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)鑄造冶金缺陷問題。分析認(rèn)為，擠壓力的增加克服了薄壁位置率先凝固而產(chǎn)生的“支撐阻礙”作用以及遠(yuǎn)離沖頭而造成的“壓力損失”，達(dá)到了可消除鑄件冶金缺陷問題的“臨界擠壓值”，顯著提高了液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力，消除了鑄件產(chǎn)生的冶金缺陷。

圖6：擠壓比壓6 0MPa條件下轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件X光探傷片

圖7：擠壓比壓為120 MPa條件下轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件X光探傷片

4.2 擠壓力對(duì)鑄件本體力學(xué)性能的影響

對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件本體力學(xué)性能進(jìn)行測試，圖8為本體力學(xué)試棒取樣位置，表1為鑄件各部位本體力學(xué)性能。從力學(xué)性能測試結(jié)果上看，鑄件各個(gè)位置力學(xué)性能相當(dāng)，說明擠壓效果良好，壓力損失并不明顯。

圖8：轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件本體力學(xué)性能檢測取樣示意圖

表1：轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件不同位置力學(xué)性能平均值

從表1可以看出，鑄件本體力學(xué)性能有了較為顯著的提升，特別是伸長率提高較為明顯。主要原因是，隨著壓力的提升顯著提高了合金液的形核率，由于形核率與壓力呈正比關(guān)系，壓力的增加可顯著促進(jìn)晶核的增殖，使晶粒變小，細(xì)化了鑄件晶粒組織。另外，擠壓力的增加可改善鑄件與模具之間的界面?zhèn)鳠釛l件，熱阻顯著降低，提高合金液的凝固速率，減小鑄件一次枝晶間距和二次枝晶間距，鑄件晶粒組織得到明顯細(xì)化，從而使鑄件力學(xué)性能得到顯著提升。另外，擠壓力的存在可增加ɑ固溶體的數(shù)量以及細(xì)化硅質(zhì)點(diǎn)，從而顯著提高合金的塑性性能。圖9為擠壓狀態(tài)和未擠壓狀態(tài)合金的顯微組織，可以看出，經(jīng)過擠壓后鑄件顯微組織明顯細(xì)化。

圖9：轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件本體力學(xué)性能檢測取樣示意圖

5.結(jié)論

（1）利用自主開發(fā)的8 000 kN擠壓鑄造成形設(shè)備成功開發(fā)出轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件，經(jīng)過無損探傷檢測，鑄件冶金質(zhì)量良好，無縮孔、縮松、裂紋等缺陷，滿足了設(shè)計(jì)單位提出的技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）擠壓力為60 MPa時(shí)，由于擠壓力較小，未達(dá)到可消除鑄件鑄造缺陷的“臨界擠壓值”，由于先凝固位置的“支撐作用”和遠(yuǎn)離擠壓源的“壓力損失”，造成鑄件補(bǔ)縮不暢，厚大熱節(jié)部位和遠(yuǎn)離沖頭和局部擠壓的位置出現(xiàn)了較為明顯的鑄造缺陷問題。

（3）當(dāng)擠壓比壓增加到120 MPa時(shí)，擠壓力達(dá)到了鑄件“臨界擠壓值”，消除了鑄件冶金缺陷，在此條件下，鑄件的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，伸長率和布氏硬度（HB）分別達(dá)到454.6 MPa, 409.2 MPa， 6.2%， 137.2。

（4）擠壓比壓的增加可顯著提高合金液的形核率，減小鑄件一次枝晶間距和二次枝晶間距，鑄件晶粒組織得到明顯細(xì)化，擠壓鑄造鋁合金控制臂鑄件力學(xué)性能得到顯著提高。

作者：
李宇飛 馮志軍 李澤華 阮明 蘇鑫
沈陽鑄造研究所有限公司高端裝備輕合金鑄造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2019年第39卷第12期