0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)保和乘用車輕量化需求的日益 增長(zhǎng)，傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)件的弊端也日益顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的 車身結(jié)構(gòu)件，一般是用結(jié)構(gòu)鋼板，沖壓成型后進(jìn)行焊 接，或使用緊固件連接。這樣的結(jié)構(gòu)重量大，連接點(diǎn) 多，需要多道工序才能獲得復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)。

如改用輕合金薄壁大型鑄件，一方面可取得顯 著的減重效果;另一方面，由于只使用一個(gè)零件即可 獲得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而減少了成型和連接環(huán)節(jié)。

據(jù)此，為某高級(jí)轎車設(shè)計(jì)開發(fā)的新型零件 “Shock Tower”，就是以減重為主要目標(biāo)，并將復(fù)雜 的結(jié)構(gòu)通過鑄造一體成型的全新設(shè)計(jì)。Shock Tower 又可稱為前輪罩，它是連接車身和底盤的重 要結(jié)構(gòu)件。其形狀如圖1 所示，三維均約500 mm， 絕大部分部位壁厚僅約 3 mm。

Shock Tower 除了強(qiáng)度要求外(抗拉≥180 MPa， 屈服≥120 MPa)，也涉及到多種連接技術(shù)，特別是一 些鉚釘?shù)倪B接，如圖2 所示，要求材料具備至少10% 的斷后伸長(zhǎng)率，否則將產(chǎn)生不可接受的開裂。

1 選材策略

1．1 汽車行業(yè)常見鑄鋁工藝的分析

目前汽車行業(yè)常用的鑄鋁件，主要是通過高、 低壓鑄造獲得的，傳統(tǒng)的重力澆注反而不多。

對(duì)于 Shock Tower 這樣形狀復(fù)雜的大型薄壁 件，如果采用重力或低壓鑄造，因?yàn)槌湫退俣扔?限，鋁湯將在金屬模的快速冷卻下，在充型完成前即大量凝固，從而造成澆不足或冷隔等缺陷。

高壓鑄鋁件(以下簡(jiǎn)稱“壓鑄件”)，是將鋁湯 在大噸位的壓機(jī)推動(dòng)下完成充型，然后在金屬模 中快速凝固，以獲得細(xì)小的晶粒和較高的強(qiáng)硬度。 其特點(diǎn)是成型好、凝固快、工作效率高、強(qiáng)硬度高， 但普遍缺點(diǎn)就是脆性大，一般斷后伸長(zhǎng)率都低 于 3%。

使用凝固潛熱高的鋁硅合金高壓鑄造 Shock Tower，可以給鋁湯提供足夠的充型速度和凝固時(shí) 間以保證充型。但 10% 的斷后伸長(zhǎng)率要求，對(duì)于 壓鑄件而言是前所未有的挑戰(zhàn)。一般鋁硅合金可 通過變質(zhì)和熱處理來改善共晶硅相(以下簡(jiǎn)稱“硅 相”)，使針片狀的硅相圓潤(rùn)，來提高塑性。但對(duì)于 壓鑄件，還存在以下兩個(gè)問題。

金屬模薄壁件凝固速度快，會(huì)影響變質(zhì)效果; 壓鑄件在充型時(shí)，鋁湯會(huì)裹入大量氣體，除產(chǎn)生氣 孔外，還會(huì)在后期熱處理時(shí)發(fā)生鑄件近表面氣泡 鼓起問題，如圖 3 所示。這是因?yàn)殍T件凝固后再 進(jìn)行熱處理，氣孔將因高溫而膨脹，合金也因高溫 而軟化。而此時(shí)已沒有凝固時(shí)的金屬模具阻擋，于是容易在鑄件表面形成鼓包。嚴(yán)重的鼓包，除 影響外觀外，也將在受載時(shí)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，可能 導(dǎo)致裂紋從鼓包處起源。所以傳統(tǒng)壓鑄件一般不 進(jìn)行熱處理操作。選擇合適的壓鑄脫模劑也是影響鑄件表面的關(guān)鍵因素。

1．2 突破傳統(tǒng)的真空高壓鑄鋁

將壓鑄模具抽為真空，就可以顯著減少充型 時(shí)裹入的氣體。這樣在凝固成型后再對(duì)零件進(jìn)行 固溶和人工時(shí)效熱處理，可不發(fā)生鼓包問題。而 此時(shí)因?yàn)楣柘嘟?jīng)熱處理后顆粒更圓潤(rùn)，從而可以 顯著提高材料塑性，達(dá)到斷后伸長(zhǎng)率設(shè)計(jì)指標(biāo)。

這樣的真空高壓鑄造件，除保留了壓鑄件固 有的優(yōu)點(diǎn)外，還可以適用鉚接、焊接(同樣因裹入 氣體會(huì)造成焊接氣孔和鼓包)等更靈活的連接方 式，用于要求高塑性、韌性等多種受載場(chǎng)合，是對(duì) 壓鑄工藝具有歷史意義的革新。

華中科技大學(xué)的材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也成功地使用鋁鎂合金 ZL101 － T6 完成 了真空壓鑄件的試制。其后研發(fā)的某轎車底盤 件，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá) 7． 3%，是國(guó)內(nèi)非常成功的范 例。但需大批量生產(chǎn) 10% 以上的真空壓鑄件，在 國(guó)內(nèi)尚鮮有先例。

2 成分設(shè)計(jì)

2．1 傳統(tǒng)壓鑄件的成分特點(diǎn)

為保障充型能力、抗熱裂和減少縮孔，傳統(tǒng)壓 鑄件一般選用高硅的鋁合金。同時(shí)為進(jìn)一步提高 強(qiáng)度，銅和鎂元素也是經(jīng)常添加的。

鎂元素與硅形成的Mg2Si硬質(zhì)相，需通過適當(dāng) 的熱處理，才能起到良好的強(qiáng)化作用。而Al2Cu硬質(zhì)相，即使不進(jìn)行熱處理也能起到顯著的強(qiáng)化 作用。所以傳統(tǒng)壓鑄件更多傾向于添加銅元素。

壓鑄件為減少粘模，鐵含量一般較高。但鐵 元素在鋁合金中易形成針狀脆性相，如圖 4 所示， 也是導(dǎo)致壓鑄件脆性高的原因之一。

變質(zhì)劑對(duì)硅相的變質(zhì)效果如圖 5 所示。但由 于壓鑄件凝固速度快，會(huì)減弱變質(zhì)作用。加上傳 統(tǒng)壓鑄件對(duì)塑性要求低，所以一般都不添加鍶等 變質(zhì)劑。

2．2 真空壓鑄件改良元素的添加

由于 Shock Tower 對(duì)塑性要求高，其成分設(shè)計(jì) 應(yīng)不同于傳統(tǒng)的壓鑄件。雖然為確保鑄造性能， 保持了以硅元素為主(硅含量取 8% ～12%，在真 空壓鑄條件下此含量的鑄造性能和強(qiáng)度都較 好 )，但進(jìn)行了以下改良創(chuàng)新:

(1)銅元素降低了塑性，改為以鎂元素為主要 強(qiáng)化元素，通過熱處理獲得所需機(jī)械性能。

(2)通過添加鍶元素，對(duì)硅相形態(tài)進(jìn)行先期的 改善。

(3)通過添加較多含量的錳元素，以減少含鐵 脆性相對(duì)機(jī)械性能的影響。

綜上所述，最終制定的鋁合金牌號(hào)為:AL－C－D－Si10MnMg。具體成分指標(biāo)因涉及公司技術(shù)機(jī)密，在此不予公開。

3 熱處理制度

雖然從成分設(shè)計(jì)上進(jìn)行了變質(zhì)處理，但還是需要對(duì)Shock Tower進(jìn)行熱處理，才能進(jìn)一步提高性 能，特別是材料塑性，以達(dá)到斷后伸長(zhǎng)率設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3．1 鑄造鋁合金一般熱處理方法

鑄造鋁合金的熱處理，是通過固溶和時(shí)效等 過程來改變鑄件的金相組織，控制強(qiáng)化相的形態(tài)、 大小、分布和數(shù)量，以獲得期望的材料性能的方法。按美國(guó)金屬手冊(cè)的定義，主要熱處理制度有:

T4:固溶熱處理后，沒有經(jīng)受冷加工，通過室 溫時(shí)效使其機(jī)械性能穩(wěn)定化。一般強(qiáng)度較低。

T5:從高溫成型工藝?yán)鋮s后，比如鑄造或擠壓 后，沒有經(jīng)受冷加工，通過人工時(shí)效(沉淀熱處 理)，而得到改善的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，能獲 得較高的強(qiáng)度。特別是沒有經(jīng)過固溶處理，節(jié)約 了能源、時(shí)間，并減少了淬火時(shí)的變形和殘余 應(yīng)力。

T6:固溶熱處理后，沒有經(jīng)受冷加工，通過人工時(shí)效(沉淀熱處理)，而得到改善的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，往往是為了獲得最高的強(qiáng)度。

T7:固溶熱處理后，通過人工時(shí)效(沉淀熱處 理)達(dá)到過時(shí)效的程度。穩(wěn)定化熱處理雖然會(huì)使 強(qiáng)度下降，但可提高塑性、尺寸穩(wěn)定性和抗應(yīng)力腐蝕的能力。

3．2 Shock Tower 熱處理制度的確立

對(duì)于 Shock Tower，首先最多的強(qiáng)化相是共晶 硅相。鑄造態(tài)(以下簡(jiǎn)稱為“F”態(tài))組織中的共晶 硅變質(zhì)效果如因快速凝固而不夠理想，應(yīng)通過適 當(dāng)?shù)臒崽幚?，將共晶硅顆?；A潤(rùn)化。這樣降低 了尖銳組織的應(yīng)力集中，可起到提高塑性和強(qiáng)度 的作用。

其次，對(duì)于鋁鎂硅合金，無論是鑄鋁合金還是 用于塑性變形加工的變形鋁合金，Mg2Si 也是其主 要的強(qiáng)化相。未經(jīng)熱處理的 Mg2Si往往較集結(jié)，呈 粗大的骨骼狀，如圖 6 左上圖所示。這樣的 Mg2Si 起到的作用更接近于脆性的夾雜物，很難對(duì)機(jī)械 性能有好的貢獻(xiàn)。經(jīng)過合適的熱處理，可以使 Mg2Si 在鋁基體中均勻彌散地分布，且顆粒細(xì)小， 一般用金相顯微鏡很難觀察到，如圖 6 右上圖所 示。這樣的組織可強(qiáng)化基體，提高材料機(jī)械性能。

Shock Tower 有一定的強(qiáng)度要求，且塑性要求 非常高。先期的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)T4強(qiáng)度太低，而T6塑性不能達(dá)標(biāo)。且對(duì)于這樣的大型薄壁零件，如果 進(jìn)行固溶處理，零件變形將非常嚴(yán)重。T7 雖然要 固溶，但強(qiáng)度和塑性都能滿足設(shè)計(jì)。與不用固溶 處理的 F 和 T5 狀態(tài)相比，強(qiáng)度要求都能滿足，但 斷后伸長(zhǎng)率僅 T7 狀態(tài)的才能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，如表 1 所 示。通過金相組織可以看到，經(jīng)變質(zhì)處理的真空 壓鑄件，再進(jìn)行 T7 熱處理，已很難找到針片狀的 共晶硅相，如圖 7 所示。雖然共晶硅相的長(zhǎng)大會(huì) 造成強(qiáng)度的下降，但圓潤(rùn)的形態(tài)將顯著提高材料 塑性變形能力。

最終 Shock Tower 選擇的熱處理制度是 T7，并 通過特殊的固溶淬火工藝和特制零件夾具系統(tǒng)， 解決了大型薄壁件在熱處理過程中的變形問題。 具體工藝參數(shù)細(xì)節(jié)因涉及公司技術(shù)機(jī)密，在此不 予公開。

4 零件試制驗(yàn)證

通過 CAE 等手段進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)，最終完成 了實(shí)際鑄件，如圖 8、9 所示。圖 9 中標(biāo)記為3#的 區(qū)域，是相對(duì)較易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的部位。

經(jīng) T7 熱處理后的 Shock Tower 樣件，除成分 和靜拉伸性能均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)外，零件表面也進(jìn) 行了目視檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)鼓包缺陷。對(duì)設(shè)計(jì)要求區(qū) 域進(jìn)行了 X － ＲAY 內(nèi)部缺陷檢測(cè)，也均滿足 ASTM E505 － level 1 級(jí)水平，圖 10 即為 3#區(qū)域的 X － ＲAY 檢測(cè)照片。至此，真空高壓鑄鋁件 Shock Tower 的材料研發(fā)工作基本完成。

5 結(jié)語

本文根據(jù)新型車身結(jié)構(gòu)件 Shock Tower 在減 重和機(jī)械性能等方面的設(shè)計(jì)要求，選用突破傳統(tǒng)的真空高壓鑄鋁工藝，并進(jìn)行了相應(yīng)的成分設(shè)計(jì) 和熱處理制定，成功完成了滿足零件設(shè)計(jì)要求的 高塑性壓鑄鋁材料研發(fā)。

本項(xiàng)目的研發(fā)成功，不僅是對(duì)傳統(tǒng)壓鑄工藝 的一次重大突破。對(duì)于乘用車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 使用輕金屬鑄件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼架結(jié)構(gòu)，也給予了很 有價(jià)值的借鑒。