原標題：半固態流變壓鑄鋁合金主軸承蓋

摘要：某發動機主軸承蓋采用半固態鋁合金流變壓鑄工藝制造，相比原QT500-7球墨鑄鐵件減重45%，輕量化效果顯著，零件性能滿足設計要求。根據半固態鋁合金319S的材料性能和半固態壓鑄工藝特點，對主軸承蓋進行了結構重新設計和工藝仿真優化，采用三級固溶熱處理，得到的零件組織細密，力學性能高，內部無氣孔、縮松等缺陷。零件通過一千萬次單體臺架疲勞試驗驗證，具有良好的應用前景。

鋁合金已在缸體、缸蓋、正時鏈輪殼、凸輪軸支座等殼體、支座類零件上使用。主軸承蓋是發動機中的重要零件，通過螺栓將曲軸安裝在龍門式缸體上，對曲軸起導向與固定作用，需要承擔燃燒室爆發產生的壓力和曲軸運動產生的往復慣性力，對強度和剛度要求較高，一般的鋁合金鑄件難以滿足零件要求。半固態流變壓鑄技術，結合了半固態鑄造和傳統壓鑄的特點，生產效率高，鑄件表面光潔度高、尺寸精度高、力學性能優良，可有效控制鑄件內部縮孔、氣孔缺陷含量，可經過熱處理提高強度，已部分應用于汽車行業，但半固態鋁合金發動機主軸承蓋的開發在國內尚未見報道。

1、鋁合金主軸承蓋零件結構設計優化

選用高固相半固態流變壓鑄工藝制造主軸承蓋，半固態漿料固相率約為45%。主軸承蓋原型為某三缸渦輪增壓發動機，為QT500-7球墨鑄鐵鑄造，單件質量為289 g，每臺發動機搭載4件，改為半固態鋁合計鑄件后，采用了Al-Si-(Cu)-Mg系319S半固態鋁合金，并通過固溶和時效處理以提高性能，合金化學成分標準及實測值見表1。

表1 319S鋁合金的化學成分（wb/%）

結合319S半固態鋁合金的性能典型值，目標為抗拉強度≥390 MPa，屈服強度≥305 MPa，疲勞強度≥164 MPa，通過相應熱處理工藝達到。由于319S的彈性模量、拉伸性能、疲勞性能都低于原球墨鑄鐵材料，需開展相關結構強度與剛度的優化設計，以使其性能指標滿足要求。

對半固態鋁合金主軸承蓋開展結構強度仿真分析，主要包括靜強度分析、疲勞安全系數、接觸壓強、相對/絕對滑移量分析等。根據分析結果中的薄弱點不斷優化零件結構，零件結構優化過程見圖1。

圖1 半固態鋁合金主軸承蓋設計優化過程

通過擴大排氣側的加強筋，并在進氣側增加加強筋，解決了鋁合金主軸承蓋靜強度不足的問題，結構特征見圖2；增高主軸承蓋的螺栓孔周圍的實體，增高量為5 mm，使鋁合金主軸承蓋相對滑移量達到設計要求；將兩螺栓孔之間填滿實體，見圖3，以提高零件剛度及疲勞性能，同時保證充型過程中漿料平穩順序地由厚壁充型至薄壁區域，增強凝固時的高壓補縮效果。

圖2 QT500主軸承蓋和319S主軸承蓋的結構對比

圖3 鋁合金主軸承蓋與鑄鐵主軸承蓋

對優化后的最終數模采用ABAQUS軟件進行靜強度、接觸壓強、絕對滑移與相對滑移仿真計算，采用FEMFAT軟件MAX模塊進行疲勞安全系數仿真計算，結果見表2，發現均滿足設計要求。其中，靜強度應力最大值小于材料屈服強度（見圖4），疲勞安全系數大于1.1（見圖5），滑移量小于限值。

表2 319S鋁合金主軸承蓋結構分析結果

圖4 主軸承蓋靜強度分析最大應力值

圖5 主軸承蓋疲勞安全系數（最薄弱處）

2、鋁合金主軸承蓋鑄造工藝仿真分析及優化

為保證半固態壓鑄件順利成形，需要綜合考慮半固態金屬充型、凝固和脫模等問題。半固態漿料是非牛頓流體，其流動特性和凝固特性與常規壓鑄漿料不同，具有剪切變稀的特性。為獲得良好的半固態壓鑄件，充型過程中漿料前沿應保持平穩順序充型，漿料內部應為層流充型，凝固過程中應保證良好補縮，避免出現熱節。

對鑄件開展鑄造工藝CAE仿真分析。鑄件為一模兩件，模具材料設置為H13鋼，鑄件材料設置為自定義數據庫的半固態319S材料，主要物理性質包括密度、熱膨脹系數、固相分數、粘度等，均是溫度變化的函數。主要模擬參數見表3。

表3 半固態主軸承蓋鑄造CAE模擬參數

針對半固態鋁合金漿料充型溫度區間較窄，充型溫度較低的特點，澆口位置應選取在鑄件的中心位置，以避免充型過程中漿料流動距離過長造成冷隔、澆不足等缺陷，有利于實現半固態壓鑄平穩充型；鑄件中心位置的壁厚要和內澆口配合，保證補縮通道連續性。鋁合金主軸承蓋的內澆口開設在頂部中心位置，壁厚在裝配空間允許范圍內增至最大。

主軸承蓋充型仿真結果見圖6，充型前沿的半固態金屬熔體保持了“層流”流動，避免了湍流，平穩均勻地充滿型腔。最后充型的位置設置渣包及時排渣。在橫澆道中部拐彎處設計一處角狀緩沖區，以改變澆道中半固態漿料的流速，保證漿料進入內澆口時前沿為平面。

圖6 充型仿真結果

經產品結構優化及澆注系統優化設計，保證該零件在半固態壓鑄充型之后實現順序凝固，即最后充型位置、零件、澆注系統依次凝固，這樣有利于實現充型之后的高壓補縮，提高產品致密度，消除縮孔縮松缺陷，溫度場分布仿真結果見圖7。

圖7 溫度場分布結果

3、鋁合金主軸承蓋鑄件試制

319S漿料通過旋轉熱焓平衡法（SEED法）制備，通過調整金屬熔體的澆注溫度、金屬坩堝旋轉速度和旋轉時間等制備固相率約45%的半固態坯料。產品在BUHLER 840T壓鑄機上試制，模具材質為H13鋼。鑄件要求無裂紋、欠鑄、疏松、氣泡和任何穿透性缺陷，熱處理后不允許出現過燒組織。

結合鑄造工藝CAE模擬和現場壓鑄試驗，優化工藝參數為：慢速速度為0.15~0.25 m/s，二快速度為0.3~0.5 m/s，開始壓力24~36 MPa，建壓時間為0.02 s，工作壓力90~105 MPa，保壓時間為30 s。試制樣件見圖8，主軸承蓋毛坯質量為180 g，機加后成品質量為159 g，相比原鑄鐵件減重130 g，減重比例45%。

圖8 主軸承蓋試制樣件

采取三級固溶處理的熱處理方案，結合有關研究[4]，選擇（470 ℃×4 h）+（500 ℃×160 min）+（510 ℃×160 min）的三級固溶處理，然后自然時效12 h，人工時效170 ℃×10h的熱處理方案。由于該319S鋁合金在高溫固溶時，可能因工藝不當或爐溫控制精度不夠，在晶界處出現過燒孔洞類缺陷，所以在熱處理過程中應嚴格按照熱處理工藝參數執行，并嚴格控制爐體實際溫度不超過設定值。

4、鋁合金主軸承蓋鑄件質量檢測

從主軸承蓋成品毛坯上取樣進行拉伸性能試驗，結果見表4。

表4 鑄件取樣拉伸試驗結果

從主軸承蓋上取樣，熱處理后金相組織見圖9，可以看出，α-Al相呈球狀，變質正常，分布均勻，通過截線法計算晶粒大小為109.8 μm。共晶Si顆粒較為圓整，并均勻分布在初生α-Al晶界處，無針狀或大塊硅顆粒；平均Si顆粒尺寸小于8.0 μm，最大Si顆粒尺寸小于10.0μm。

圖9 半固態鋁合金主軸承蓋熱處理金相組織

對鑄件進行X光探傷和熒光探傷檢驗，結果顯示鑄件無氣孔、縮松等缺陷，符合要求，見圖10。

圖10 鑄件X光探傷和熒光探傷結果

5 鋁合金主軸承蓋臺架試驗

參考JB/T 13203 ，對半固態鋁合金主軸承蓋進行臺架試驗驗證，試驗在六路液壓油加載管路試驗臺上運行，設計試驗工裝示意圖見11。試驗將主軸承蓋、螺栓、定位環和主軸瓦按實際工況裝配在缸體上，并通過模擬活塞、連桿及曲軸與試驗臺裝配。

圖11 鋁合金主軸承蓋臺架試驗

試驗循環次數基數107次，失效判據為樣件在試驗載荷作用下明顯破壞，如產生局部斷裂或有裂紋產生。加載順序為1-2-3缸順序加載，加載相位間隔120°，加載波形為正弦波，加載頻率10 Hz，加載幅值為1.5倍缸壓，即15.75  MPa，加載壓力峰值為(15.75±0.1)MPa，加載壓力谷值不大于0.63 MPa。載荷最終作用到主軸承座軸瓦面上，通過對連桿等貼應變片測量確認載荷傳遞是否有損失。經測量，連桿應力為78.8 MPa，判斷液壓加載腔內脈動載荷基本無損失的傳遞到模擬加載軸，最終加載至主軸承蓋。完成107次加載后，主軸承蓋外觀完好，無可見裂紋、破損或變形，通過驗證。

6、結語

發動機主軸承蓋生產工藝由球墨鑄鐵砂型鑄造工藝改為半固態鋁合金流變壓鑄鑄造工藝，結合結構和工藝優化，成品質量為159g，相比鑄鐵件減重45%，單臺發動機減重520g，輕量化效果顯著。

對主軸承蓋進行了重新設計以滿足零件各項性能指標要求，對澆道結構、澆口位置及尺寸等開展了設計優化，經過三級固溶、自然時效、人工時效熱處理，得到的零件金相組織致密，力學性能好，內部無氣孔、縮松等缺陷。

作者：

任俊成 李濤 王澤忠 唐元媛 李欣
東風汽車集團有限公司技術中心

陳頌 李大全
有研工程技術研究院有限公司

梁小康
愛柯迪股份有限公司

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第07期