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  楊青  姜銀方  戴亞春  許若震  孟祥豹  孫玨

（1．江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.蘇州三基鑄造裝備股份有限公司）

摘要  使用間接擠壓鑄造工藝和立式SCV-20 000 kN擠壓鑄造機(jī)，生產(chǎn)了A356鋁合金副車架。通過(guò)金相觀察、力學(xué)性能測(cè)試和掃描電鏡分析了副車架的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，在澆注溫度為690～710℃，壓射比壓為95 MPa，模具溫度為240℃，保壓時(shí)間為20 s時(shí)，鑄件表面無(wú)鑄造缺陷，內(nèi)部組織致密。T6條件下，鑄件的抗拉強(qiáng)度為291 MPa，伸長(zhǎng)率為9. 2%，硬度(HBW)為96。臺(tái)架試驗(yàn)證實(shí)擠壓鑄造汽車副車架疲勞性能符合要求，提高了整車的輕量化水平。

關(guān)鍵詞  副車架；鋁合金；擠壓鑄造；顯微組織；力學(xué)性能

 副車架作為汽車底盤的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其質(zhì)量的好壞直接影響汽車安全性和可靠性。該鑄件要求尺寸精度高，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，確保汽車在行駛中的舒適性和安全性。

 若采用傳統(tǒng)的沖壓焊接式，剛度不足，前期設(shè)備投入成本高昂；而傳統(tǒng)管梁式彎曲成形，材料的彎曲、形變量大。擠壓鑄造作為一種近凈成形技術(shù)，廣泛運(yùn)用于家電、汽車、機(jī)械、軍工以及航天航空領(lǐng)域，擠壓鑄件不但可以大幅減少縮孔、縮松等缺陷，而且晶粒細(xì)小、組織致密、力學(xué)性能優(yōu)良、尺寸精度高，鑄件可進(jìn)行后續(xù)熱處理，進(jìn)一步提高鑄件的力學(xué)性能。因此采用立式擠壓鑄造機(jī)對(duì)副車架進(jìn)行間接擠壓鑄造研究，取得了較好的效果。

1  試驗(yàn)設(shè)備、參數(shù)選擇和合金液制備

1.1試驗(yàn)設(shè)備與模具

 使用SCV-2000T立式間接擠壓鑄造機(jī)。動(dòng)模和定模分別固定在擠壓鑄造機(jī)的中板和頭板，由鎖模系統(tǒng)和鎖模套鎖緊模具，由正下方的料筒（壓室）伸入模具進(jìn)行擠壓鑄造。

圖1為模具結(jié)構(gòu)示意圖。試制過(guò)程如下：模具噴涂脫模劑并吹干，料筒噴石墨潤(rùn)滑劑并吹干；動(dòng)模垂直向下運(yùn)動(dòng)，合模并鎖模；湯勺舀合金液澆入料筒，料筒回正上行與澆口套貼死；壓射系統(tǒng)帶動(dòng)沖頭上行，將鋁液擠入模具型腔并施加擠壓力，保壓至凝固；開(kāi)模頂出鑄件。

1.2合金液制備

試驗(yàn)所用A356鋁合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

 首先用熔煉爐將A356鋁合金熔化，待鋁液溫度為730～740℃時(shí)，通入氮?dú)饩珶�，接著用Al-Ti-B細(xì)化晶粒和Al-Sr中間合金做變質(zhì)處理，變質(zhì)溫度約為720℃，之后打渣靜置。

1.3試驗(yàn)參數(shù)選擇

 試制過(guò)程中，鋁液溫度為690～710℃，壓射比壓為95 MPa，模具溫度為240℃，保壓時(shí)間為20 s，脫模劑為1：30的WT800溶液，料筒潤(rùn)滑為1：40的PF404水基石墨溶液。

2  試驗(yàn)結(jié)果

2.1  顯微組織分析

圖2為擠壓鑄造鋁合金副車架及X射線探傷結(jié)果�？梢钥闯�，發(fā)現(xiàn)鑄件外觀無(wú)欠鑄、冷隔等缺陷，表面光潔度和尺寸精度高，內(nèi)部組織致密，無(wú)明顯氣孔、縮孔和縮松缺陷。

 因?yàn)樵撹T件是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只在一邊進(jìn)行取樣（見(jiàn)圖2a所示位置），經(jīng)磨光、拋光、清洗之后，用體積分?jǐn)?shù)為0. 4%的HF溶液浸蝕20 s，再用酒精清洗、吹干，并用Leica光學(xué)顯微鏡觀察各試樣的微觀組織。

圖3為鑄件位置1～4的顯微組織。從圖3可以看出，組織主要有a-Al基體和分布在晶界的共晶Si相組成。常規(guī)鑄造條件下，鑄件最外層凝固收縮和模具受熱膨脹，會(huì)出現(xiàn)縫隙，縫隙中存在高溫空氣，起保溫作用，使得鑄件凝固時(shí)間延長(zhǎng)。而擠壓鑄造時(shí)，通過(guò)沖頭向合金傳遞擠壓力，強(qiáng)制鑄件緊貼模具型腔，避免鑄件與模具壁產(chǎn)生間隙，使有效面積更接近理論接觸面積。有效面積增加而導(dǎo)致合金的凝固速度增大，另外壓力使合金凝固過(guò)程中過(guò)冷度增大，合金形核率增大，從而細(xì)化晶粒。因此鑄件微觀組織晶粒細(xì)小，均勻致密，沒(méi)有常規(guī)鑄造（重力鑄造等）鑄件的粗大樹(shù)枝晶，所以性能更優(yōu)良。位置3最接近澆道，加壓凝固過(guò)程中壓力傳遞損失最小，承受擠壓力最大，因此該處組織最致密，晶粒尺寸更細(xì)小。由于壓力傳遞到位置2時(shí)，壓力損失較大，故晶粒尺寸較大且分散，出現(xiàn)了二次枝晶。位置4離澆道最遠(yuǎn)，但由于處在局部加壓邊緣，因此壓力損失并不明顯，相對(duì)位置2，其晶粒尺寸要細(xì)小、均勻。

2.2  力學(xué)性能分析

根據(jù)鑄件材質(zhì)和性能要求，進(jìn)行T6熱處理，具體工藝：530℃×4h固溶處理+155℃×5h時(shí)效處理。在經(jīng)過(guò)T6熱處理鑄件上取樣，因?yàn)樵撹T件是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只在一邊進(jìn)行取樣，用X射線進(jìn)行探傷，避免取到含夾雜、氣孔等缺陷的試樣。按GB/T288-2002加工成拉伸試樣，見(jiàn)圖4。在圖2中1～4位置處，每處取3個(gè)樣（圖2a所示位置），在WDW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm／min，取平均值。在THBRV-187. 5D數(shù)顯布洛維硬度計(jì)上分別測(cè)量位置1～4處硬度值，每個(gè)試樣測(cè)量3次，取平均值。

鑄件不同位置的力學(xué)性能見(jiàn)表2。結(jié)果表明，副車架在95 MPa擠壓力下，平均抗拉強(qiáng)度為291 MPa，平均伸長(zhǎng)率為9. 2%，平均硬度(HBW)為96，滿足副車架性能要求。鑄件力學(xué)性能受鑄件晶粒細(xì)化度、枝晶間距和大小、共晶Si尺寸大小及分布、Mg：Si強(qiáng)化相數(shù)量等因素影響。共晶Si呈板條狀或針狀且分布不均勻則力學(xué)性能較差，若共晶Si呈細(xì)小粒狀且分布越均勻，力學(xué)性能則越好。從圖3和表2可看出，鑄件晶粒組織越小，圓整度越好，力學(xué)性能越好。這是因?yàn)榫Я３叽缭叫�，單位面積上阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的晶界越多，故強(qiáng)度越高。位置3處離沖頭最近，擠壓力傳遞最好，故承受的擠壓力最大，其晶粒最為細(xì)小，枝晶間距短，所以抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度最好；位置4處雖離沖頭最遠(yuǎn)，但受到旁邊局部加壓的影響，晶粒大小均勻，故而力學(xué)性能較好；位置2處遠(yuǎn)離沖頭，擠壓力傳遞至此損失較大，冷卻相對(duì)其他幾處較慢，因此晶粒最為粗大，二次枝晶尺寸和間距大，從而該處力學(xué)性能較差。使用擠壓鑄造試制產(chǎn)品，鑄件在高壓下抑制了枝晶長(zhǎng)大，晶粒細(xì)小均勻，基體連續(xù)性好，沒(méi)有常規(guī)鑄造的晶粒粗大，故而在一定程度上提高了鑄件的力學(xué)性能。

圖5為SEM-7001F型掃描電鏡下觀察到的試樣拉伸斷口形貌，所取斷口為力學(xué)性能最接近平均水平的位置4。可以看出拉伸試樣斷口主要由解理面、撕裂棱和韌窩組成。斷面內(nèi)有較多解理臺(tái)階，解理臺(tái)階與解理臺(tái)階之間有韌窩帶。斷口韌窩均勻細(xì)小，有大量撕裂棱，表現(xiàn)為韌性斷裂特征。

 利用MTS329整車道路模擬系統(tǒng)進(jìn)行懸架系統(tǒng)8通道隨機(jī)載荷譜激勵(lì)疲勞試驗(yàn)，經(jīng)歷載荷譜500個(gè)循環(huán)試驗(yàn)后，產(chǎn)品表面無(wú)任何裂紋等缺陷，順利通過(guò)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，擠壓鑄造汽車副車架符合其性能要求，提高了底盤及整車的輕量化水平。

3  結(jié)論

 (1)在澆注溫度為690～710℃，壓射比壓為95MPa，模具溫度為240口C，保壓時(shí)間為20 s時(shí)，擠壓鑄造汽車鋁合金副車架鑄件外觀無(wú)明顯缺陷，內(nèi)部組織致密。

 (2)擠壓鑄造汽車鋁合金副車架鑄件在T6態(tài)下綜合力學(xué)性能優(yōu)良，平均抗拉強(qiáng)度為291 MPa，平均伸長(zhǎng)率為9. 2%，平均硬度(HBW)為96，滿足副車架產(chǎn)品要求。