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​某车型铝合金减震器塔压铸材料和工艺设计研究
发布时间:2021年03月30日 16:48



文:江淮汽车技术中心唐淳,阚洪贵,鲁后国


摘要:文章针对铝合金减震器塔的性能和结构要求,根据各种材料和工艺的特性,进行相应的材料设计、工艺设计,最终采用 Silafont-36(Al Si10MgMn)进行材料成分微调,主要成型工艺为高真空压铸方式,对铸件进行 T6热处理的方式。

关键词:减震器塔;材料设计;工艺设计


引言

铝合金具有密度小、比强度大、导热性好、耐腐蚀性好、致密性好、综合性能优良等,在汽车轻量化中得到越来越广泛的应用。在汽车用的铝合金中,压铸铝合金占比超过50%。压铸工艺具有成形精度高、生产效率高等优点,汽车用铝合金压铸件目前已应用于汽车发动机缸体、车轮、底盘悬挂系统等零件。


传统的减震器塔使用结构钢板,冲压成型后进行焊接,或使用紧固件连接。这种结构重量大,连接点多,工序多。如改用铝合金压铸,一方面可取得显著的减重效果,另一方面,可有效减少零件数量,减少成型和连接环节。


铝合金减震器塔在高端车型上已经得到较多应用,如奥迪 A6、奥迪 A8、奥迪 Q7、路虎揽胜、凯迪拉克 ATS、宝马5 系、宝马 E70 等车型,图 1(a)是 2014 年欧洲车身会议上的奔驰 C 级车,采用铝合金减震器塔,图 1(b)是 2016年日本人车技术展上凯迪拉克 ATS 的真空压铸铝合金减震器塔。



1、设计要求

为了进一步提升铝合金轻量化效果,该铝合金铸件需要满足如表1所示。



2、压铸工艺

2.1  压铸工艺种类和特点

压铸是特殊的铸造,不同于普通重力铸造,压铸是在铝合金液上施加一定压力,使铝合金液充满型腔的工艺,根据压力不同分为低压和高压铸造,近年来又在压铸的基础上开发了高真空压铸,下面是几种工艺的解释。


重力铸造是将液态金属注入金属型,在重力作用下结晶凝固获得铸件的工艺。凝固顺序:自下而上。


低压铸造是在装有液态铝合金的密封容器(如坩埚)中通入干燥压缩空气,作用在保持一定温度的液态金属液面上,使金属液研制升液管自下而上地经过浇道,进入型腔,待金属液充满型腔后,增大气压,型腔内的金属液在一定压力作用下凝固成形,然后解除压力,使升液管中未凝固的金属液回落到坩埚中,再开模取件,凝固顺序为自上而下。


压力铸造是将液态或半固态金属,在高压作用下,以高的速度填充压铸模的型腔,并在压力作用下快速凝固获得铸件。压力铸造的特点是高压、高速,缺点是压铸件中常伴有气孔及氧化夹杂物等铸造缺陷,如图2所示。




高真空压铸法是将型腔中的气体抽出,金属液在真空状态下充填型腔,因而卷入的气体少,铸件的力学性能高,高真空压铸继承和保持了普通压铸法的优点。特点是模具型腔中的真空度达 91k Pa 以上,含气量 1-3ml/100g,生产的铸件可热处理、可焊,高强高韧。几种工艺的特点如表2所示。




2.2 减震器塔压铸方式选择

减震器塔是形状复杂的薄壁件,如果采用重力或低压铸造,因为充型速度有限,铝合金液将在金属模的快速冷却下,若零件壁厚较薄,在充型完成前就会大量凝固,从而造成浇不足或冷隔等缺陷。


高压铸造可以生成薄壁件,但由于高压铸时气孔及氧化夹杂物等铸造缺陷,从而降低了压铸件质量,不能热处理且焊接性不好。


高压真空铸造除保留了压铸件固有的优点外,还可以使用铆接、焊接等更灵活的连接方式,因此高压真空铸造更适合于制造强韧性要求较高的减震器塔。


3、压铸铝合金材料

3.1  化学成分对压铸铝合金性能的影响

压铸铝合金主要化学成分铝(Al)元素,其余为硅(Si)、铜(Cu)、镁(Mg)、(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、镍(Ni)、钛(Ti)等合金元素,有时可以根据需要添加变质剂如钠(Na)、锶(Sr)等。各元素对铝合金性能的影响如表3所示。




3.2 压铸铝合金

按照主要成分划分,压铸铝合金可以概括为:Al-Si 系,Al-Si-Mg 系,Al-Si-Cu 系,Al-Mg 系等,其中 Al-Si-Cu 系合金应用最为广泛,如国内的

YL112、YL113和日本的 ADC12等,广泛应用于汽车的支架、托架、泵体和支臂等结构件。


中国,日本和欧洲的压铸铝合金成分见表4,表5和表6。













普通压铸件上直接取样测得的机械性能与特制的压铸测试片机械性能往往偏差较大,在 GB/T 15115 和 JIS H5302 标准中没有对机械性能进行约束。ISO 3522和EN 1706中列出的压铸铝合金机械性能(供参考),见表7、表 8。





普通压铸铝合金延伸率较低,一般不超过3%,研究表明高真空压铸可以提升延伸率,但仍然难以满足汽车结构件对强韧性的需求。


3.3 高强韧压铸铝合金

为了防止铝液粘模且腐蚀损坏模具,一般压铸铝合金 Fe含量一般比较高,但Fe 会与合金中的 Al、Si形成针状的中间化合物FeAl3和 Al-Fe-Si,此类中间化合物的存在严重削弱了压铸件的力学性能,尤其是韧性。对于含Cu类压铸铝合金而言,时效析出的CuAl2相具有明显的时效强化效果,在一定范围内提高压铸件的强度,却降低了压铸件的韧性,而且Cu的加入会导致压铸件的耐腐蚀性能降低和热裂倾向增大。因此,普通的压铸合金无法获得高强度、高塑性、高强韧、耐冲击和耐腐蚀性能好的压铸件。


为拓宽压铸件的应用范围,德国、日本等研究人员以高真空技术为基础,展开了对高强韧铝合金的开发和研究。目前常用于结构件压铸的高强韧铝合金主要是由 Rheinfelden 公司推出的Silafont-36、Magsimal-39和 Castasil-37等。


Silafont-36 合金将Si含量控制在共晶点附近,保持了良好的铸造性能和充型能力,并通过提高Mn含量防止因铁含量降低可能导致的粘模现象。


Masgsinal-39合金降低了Si含量,提高了镁含量。该系合金主要特点是铸态下的机械性能就很高,往往不用热处理也能满足结构件的机械性能要求,但机械性能对铸件壁厚比较敏感。


Castasil-37,具有耐长期时效的能力。主要应用目标是在较高温度下工作的零部件,保证在整个使用期内具有稳定的性能。该合金具有良好的铸造性能和焊接性能,铆接性能也表现良好。同时铸态机械性能高,可省去热处理工序。

这三种压铸铝合金的机械性能如表9所示。




这三种压铸铝合金的性能对比如表10所示。




3.4 减震器塔铝合金材料定义

减震器塔对塑性要求高,其压铸铝合金成分设计不同于传统的压铸件,合金元素对铝合金性能的影响在2.1 节已经阐述了。Magsimal-59合金Mg含量较高,降低了Si含量,铸造性能较差,对模具厂和压铸厂要求高,制造薄壁复杂减震器塔工艺难度大。Castasil-37虽然塑性较高,但降低 Mg含量到0.06%,其强度相对较低。


Silafont-36通过不同热处理方式的具有不同的强韧性,其T6处理状态能得到最高的强度,目前在欧洲宝马、奥迪等车型的减震器塔上已经得到了运用,其成分设计特点如下:

(1)Si:保持以Si元素为主,含量8%-12%之间在真空压铸条件下此含量的铸造性能和强度较好。

(2)Fe:含Fe量降低到(质量分数)0.15%以下,消除了板块状的AlFeSi相的存在,使铸件在受力状态下不会产生龟裂。

(3)Cu:Cu 元素虽然能提升强度,但降低塑性和耐腐蚀性能,降低Cu含量,改为以Mg为主要强化元素,通过热处理获得所需机械性能,同时也能提升耐腐蚀性能。

(4)Mn:提高含Mn量减少含Fe脆性相对机械性能的影响,也能降低粘模。

(5)Mg:控制Mg质量分数可获得不同的力学性能,如Mg质量分数为0.13%-0.19%的合金,用于耐压件或连接件如法兰;Mg质量分数为0.18%-0.24%时,用于有中等屈服强度、疲劳性能和抗压性能要求的安全件,如汽车的发动机支架,Mg质量分数为0.24%-0.30%的合金适合于承受冲击、对屈服强度要求较高零部件,如控制架;如Mg质量分数为0.33%-0.40%时可用于要求伸长率的同时还要求压缩强度的零件,为了获得稳定的力学性能,Mg质量分数的变化控制在0.07%范围内。Mg含量对Silafont-36合金力学性能的影响如表11所示。




(6)Sr:采用Sr作为长效变质剂,对Si相形态进行先期的改善,改善材料机械性能。


综合考虑强韧度,耐腐蚀性和压铸能力,最终制定的减震器塔选用Silafont-36(AlSi10MgMn),化学成分范围如表12所示。



4 、热处理方式

4.1  铝合金一般热处理方法及机理 铝合金的热处理强化是以合金元素或金属间化合物在铝的固溶体中溶解度的变化为基础,溶解度变化越大,则固溶强化或时效强化越显著。我国主要热处理类型、用途如表13所示:




对于压铸铝合金,首先最多的强化相是共晶硅相。由于压铸过程铝液凝固速度较快,变质处理对共晶硅变质效果不够理想,通过适当的热处理,将共晶硅颗粒化、圆润化,可起到提高塑性和强度的作用。其次,对于 Al-Si-Mg合金,Mg2Si是其主要的强化相。未经热处理的Mg2Si往往较集结,呈粗大的骨骼状。这样的Mg2Si起到的作用更接近于脆性的夹杂物,很难对机械性能有好的贡献。经过合适的热处理,可以使Mg2Si在铝基体中均匀弥散地分布,且颗粒细小,一般用金相显微镜很难观察到,这样的组织可强化基体,提高材料机械性能。


4.2 减震器塔热处理方式选择

减震器塔是底盘重要承载件,需要承担车体重量和行驶过程减震器的冲击,需要高强度和韧度,通过T6处理的Silafont-36 具有最高的强度和良好延伸率,因此减震器塔推荐选用T6处理,如果需要更高的塑性,T7处理也能考虑,后期可通过 CAE、铆接等方式进行验证。


5 、结论

(1)汽车减震器塔通常采用钢板冲压成型后焊接的方式制造,工艺过程复杂且生产效率低,采用铝合金压铸件代替钢制焊接总成件,通过功能集成设计,降低零件数量,在确保产品综合性能的前提下实现轻量化设计,基本料厚1mm-4.0mm,可实现单件减重率≥30%。

(2)高强韧铸造铝合金材料制造出的减震器塔,在高端车型上已经得到较多应用,综合考虑铸件的强度和韧性,采用Silafont-36(Al Si10MgMn),主要成型工艺为高真空压铸方式,对铸件进行T6热处理方式。