鋁合金控制臂的輕量化設(shè)計及擠壓鑄造工藝
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單柯日 黃長明 劉建平
（上海喆瑞鑄造科技有限公司）
摘要采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)Al-7 Si- Mg鋁合金汽車控制臂，以期用擠壓鑄造代替鍛造。結(jié)果表明，擠壓鑄造控制臂內(nèi)部組織致密，晶粒細(xì)小，枝晶壁間距小于40 μm.；抗拉強(qiáng)度大于310 M Pa，屈服強(qiáng)度大于240 M Pa，伸長率達(dá)到12%，硬度(HB)為100左右；各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)顯著提高，生產(chǎn)成本降低，產(chǎn)品精度和生產(chǎn)效率提高。
關(guān)鍵詞 控制臂；Al-7 Si- Mg鋁合金；擠壓鑄造；組織與性能
中圖分類號TG146. 21; TG249.2 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 011
控制臂是汽車懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向和傳力部件，材質(zhì)多為鍛造鋁合金或是球墨鑄鐵。目前，鍛造鋁合金控制臂主要用在中高端車上，且鋁合金控制臂比球墨鑄鐵和鈑金焊接的控制臂質(zhì)量輕，平穩(wěn)和舒適性能更好。由此，控制臂（三角臂）、轉(zhuǎn)向節(jié)等安全部件逐漸采用鋁合金替代原球墨鑄鐵。
擠壓鑄造是鑄造和模鍛相結(jié)合的一種近凈成形方法。目前，鍛造同類控制臂比擠壓鑄件要重20%，而且從制坯、鍛打、修邊、整形、熱處理到成品，成本也比擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的控制臂高很多。
1 技術(shù)指標(biāo)要求
1.1 力學(xué)性能要求及檢測方法
控制臂取樣部位見圖1。取樣后制成拉伸試棒，檢測6個部位相關(guān)指標(biāo)。本體取樣，需滿足以下要求：圖1中部位①～部位⑤抗拉強(qiáng)度≥290 M Pa，屈服強(qiáng)度≥220 M Pa，伸長率≥8%，部位⑥硬度(HB)為80～120；熱處理每爐須取樣檢測，參照熱處理標(biāo)準(zhǔn)為AIAGCQI-9，OTS樣件階段為部位③～部位⑤，量產(chǎn)階段為部位①和部位②。
1.2 內(nèi)部組織及缺陷
控制臂內(nèi)部缺陷要100%進(jìn)行X射線檢查，要求無金屬夾雜物、無夾渣等，孔隙率按ASTM E-155要求優(yōu)于2級驗(yàn)收。金相組織要求：共晶體必須呈現(xiàn)球狀、鈍化態(tài)，共晶Si球化、共晶體細(xì)小且分布均勻；顯微組織二次枝晶間距( DAS)小于40μm。金相檢測參照ASTM 1030標(biāo)準(zhǔn)。
2 產(chǎn)品工藝路線設(shè)計
控制臂的設(shè)計工藝流程為：前期模擬分析→模具設(shè)計制造→鑄造前熔煉→擠壓鑄造→切澆冒口→X射線檢測→T6熱處理→外觀檢測。
2.1 工藝可行性分析和設(shè)計調(diào)整改善
通過前期的多次工藝模擬分析，對產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了一些調(diào)整，改善了補(bǔ)縮通道，同時也從理論上探討了工藝方案的可行性，后期客戶對本設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CAE分析和工藝模擬分析，結(jié)果完全滿足要求，計算機(jī)模擬結(jié)果見圖2。
2.2合金熔煉工藝
控制臂的材質(zhì)為Al-7 Si- Mg鋁合金，其化學(xué)成分見表1。
在Al-7Si-Mg鋁合金中，Mg含量低時，會使合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，但伸長率增加。Fe含量超標(biāo)對T6處理后的鑄件強(qiáng)度有害。為此設(shè)定Mg含量為0．25%～0. 35%，F(xiàn)e含量在原材料采購時要控制在0．08%以下。使用長效變質(zhì)劑Al-10Sr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)溫度控制在730～740℃，經(jīng)過多次試驗(yàn)確認(rèn)S r的殘存量大于0.01%為佳。采用高純N2精煉除氣，氣體流量為0．25～0.5m3／h，除氣轉(zhuǎn)子速度為360～400 r／min，壓力為0．25～0. 50 M Pa，除氣時間為15 min，精煉溫度為730～740℃，靜置時間為10 min，精煉劑加入量為0.3%～0.5%。精煉結(jié)束抽真空后的合金密度為2.6 g/cm3。
2.3擠壓鑄造模具設(shè)計
采用的斜導(dǎo)柱抽芯計算式、液壓抽芯計算式及斜導(dǎo)柱和液壓抽芯組合計算式為：
根據(jù)整個控制臂鑄件樹的用料量和設(shè)備的固有送料能力，選用直徑為110 mm的沖頭，同時確認(rèn)擠壓鑄造壓力在理論范圍之內(nèi)，見圖3。
在模具設(shè)計過程中，考慮各種因素對鑄件的影響，在尾段和中部各設(shè)計了一個局部擠壓銷，對鑄件成形時進(jìn)行局部擠壓，以消除局部厚大部位可能產(chǎn)生的缺陷。模具共設(shè)計15條水路，水路冷卻中心線與型腔表面的距離，為冷卻孔道直徑的1～2倍；冷卻孔道間的中心距，為冷卻孔道直徑的3～5倍。澆注系統(tǒng)滿足了順序凝固原則，避免了縮孔、縮松。根據(jù)鑄件工藝要求進(jìn)行內(nèi)澆口、溢流槽、排氣槽設(shè)計。
考慮到內(nèi)澆口填充最高速度為4.5 m/s，但尾端有一定增壓，排氣槽設(shè)計太大容易造成飛鋁，太小容易導(dǎo)致產(chǎn)品氣孔及成形不良等缺陷，采用排氣塊結(jié)構(gòu)，起到了較好的效果。
2.4擠壓鑄造工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)
擠壓鑄造控制臂各工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取見表2。
2.5 X光檢測到的問題部位
在擠壓鑄造生產(chǎn)過程中，需對制件關(guān)鍵部位進(jìn)行X射線檢測，以觀察縮孔或縮松產(chǎn)生的部位和大小。在控制臂A處是鋁液填充的末端，遠(yuǎn)離澆道，補(bǔ)縮效果較差；在B處壁厚約為35 mm，內(nèi)部熱節(jié)嚴(yán)重，常有缺陷產(chǎn)生，對這兩個部位必檢，見圖4。
2.6 T6熱處理工藝參數(shù)
對控制臂擠壓鑄件進(jìn)行T6熱處理（淬火十人工時效），具體參數(shù)見表3。
3 T6熱處理后控制臂的組織性能分析
3.1 X射線檢測結(jié)果
經(jīng)過熱處理后，對控制臂厚大和規(guī)定部位進(jìn)行X射線檢測，結(jié)果見圖5�？煽闯�，厚大部位無明顯縮孔缺陷，縮松等級也不超過1級。
3.2金相組織
從控制臂本體取樣，在金相顯微鏡下觀察其組織，見圖6�？汕宄闯觯刂票蹆�(nèi)部組織致密，晶粒細(xì)小，DAS=16μm，遠(yuǎn)低于產(chǎn)品要求的40μ m。
3.3力學(xué)性能
表4為控制臂的不同部位力學(xué)性能測試結(jié)果，可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。
4 結(jié) 語
(1)經(jīng)過T6熱處理后，擠壓鑄造控制臂抗拉強(qiáng)度大于310 M Pa，屈服強(qiáng)度大于240 M Pa，伸長率可達(dá)到12%，硬度(HB)為100左右。經(jīng)4批次統(tǒng)計，擠壓鑄造控制臂合格率在85%以上。
(2)經(jīng)過T6熱處理后，擠壓鑄造控制臂經(jīng)X射線檢測，內(nèi)部無縮孔、縮松等缺陷。從本體取樣，顯微組織致密，晶粒細(xì)小，二次枝晶臂間距遠(yuǎn)小于40 μm。
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