差壓鑄造鋁合金轉向節熱處理工藝

■ 呂金旗，孫漢寶，栗智鵬

1. 車用轉向節簡介

轉向節是汽車轉向系統中的關鍵零件，它與汽車懸架、前車軸、轉向系統以及制動器總成相連，支撐并帶動前輪轉動，實現汽車靈活轉向，是汽車前部關鍵承載部件。

在汽車行駛狀態下，轉向節承受著多變的沖擊載荷。轉向節的安全可靠性直接影響著整車的行駛可靠性，其在汽車零部件中具有十分重要的地位。

此外，轉向節的結構參數、材料屬性、生產工藝等因素也存在不確定性，這些隨機因素的存在使得轉向節的可靠性要求非常高。

（1）轉向節輕量化制造 傳統汽車轉向節主要由球墨鑄鐵鑄造而成，這種轉向節重量較重，且易產生疲勞失效。為了汽車輕量化和提高簧下性能，國內外開始研發高性能鋁合金轉向節，如圖1所示。目前歐美、日本等許多汽車已規模化使用鋁合金轉向節，由現有的鑄鐵件、鍛造件向鋁合金精密鑄造新產品的升級換代，以實現轉向節產品的輕量化、高性能化和低成本化。

（2）轉向節制造工藝簡介 日本用立式擠壓鑄造機生產鋁合金轉向節已有多年歷史，工藝過程嚴格保密，沒有可借鑒的資料可查。歐洲某些汽車生產大國鋁合金轉向節的生產以鍛造為主，部分采用差壓鑄造。

轉向節是汽車鍛件中最難生產的鍛件之一，其鍛造設計水平代表了汽車鍛件的最高設計水平，此類鍛件鍛造工序多，鍛造工藝復雜，對其鍛造工藝與模具設計要求高。

目前，轉向節鍛造生產面臨的主要問題是：鍛件材料利用率低，鍛造能耗高；轉向節新品開發主要依靠設計者的經驗，開發周期長，費用高，風險大。

差壓鑄造轉向節生產率較高，通常采用A356鋁合金作為原料，A356鋁合金抗拉強度和屈服強度分別在250MPa、180MPa左右，伸長率較低，一般不超過5%。但是隨著差壓鑄件熱處理工藝的發展，經過熱處理的A356合金抗拉強度和屈服強度分別在280MPa、200MPa左右，伸長率可達8%。差壓鑄造轉向節的力學性能及疲勞壽命均有大幅提升，完全可以滿足汽車行駛的安全要求。

圖1 鋁合金轉向節

圖2 差壓鑄造機結構示意

2. 差壓鑄造鋁合金轉向節生產工藝

差壓鑄造又稱反壓鑄造，是一種在壓力下充型和凝固結晶的鑄造工藝方法，兼有低壓鑄造和壓力鑄造的特點。它是在低壓鑄造的基礎上，鑄型外加密封罩，同時向坩堝和罩內通入壓縮空氣，但坩堝內的壓力略高，將坩堝內的金屬液在壓差的作用下經升液管充填鑄型，并在壓力下結晶。

（1）轉向節差壓鑄造機組成 圖2是差壓鑄造機的結構示意。差壓鑄造機主要由上壓力罐、下壓力罐、坩堝、升液管、模具及驅動、微機控制系統組成。下壓力罐內安裝有電阻保溫爐，保溫爐內安裝有坩堝及升液管；模具驅動氣缸在微機控制系統控制下沿著支柱垂直上下動作，完成轉向節的差壓鑄造。

（2）轉向節差壓鑄造工藝 差壓鑄造的加壓工藝過程分為6個階段：上壓力罐充氣階段，充氣壓力均為p；上壓力罐壓力遞減階段；由于下壓力罐壓力保持不變，鋁液在壓差作用下沿升液管上升進入到模具里，所以此為升液、充型階段；保壓階段；互通階段；排氣卸壓階段。

鑄造鋁合金轉向節澆注鋁合金時，充氣壓力為0.5～0.6MPa,澆注溫度710～725℃；模具工作溫度150～280℃；不得高于360℃；保壓和留模時間15～25s。

3. 差壓鑄造轉向節熱處理工藝

差壓鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規范，控制加熱速度升到某一相應溫度下保溫一定時間并以一定速度冷卻，以改變鋁合金的組織，其主要目的是提高合金的力學性能，增強耐蝕性，改善可加工性，獲得尺寸的穩定性。

差壓鑄造轉向節選擇的熱處理工藝參數為：加熱到520℃保溫20min，繼續加熱到535℃保溫8h；在15s之內淬入60℃水中；淬后放入165℃保溫爐中，保溫6h，出爐室溫冷卻2h。

所謂固溶處理就是將合金加熱至高溫單相區恒溫保持，使過剩相充分溶解后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝，鋁合金的固溶處理有三個目的：①使Mg、Si元素固溶到α（Al）基體中。②Mg、Si在α（Al）基體中均勻化。③共晶Si相形態在固溶過程中發生由纖維狀向粒狀形態的轉變。將合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體以提高合金強度的方法稱固溶強化。

固溶溫度和固溶時間的選擇為獲得良好的時效強化效果，在不發生過熱、過燒及晶粒長大的條件下，本例中選擇固溶溫度為535℃，時間為8h；加熱溫度高些，保溫時間長些，有利于獲得最大過飽和度的均勻固溶體，所以本例中選擇冷卻溫度60℃，時間為15s，其目的是保證在冷卻過程不析出第二相，否則在隨后時效處理時，已析出相將起晶核作用，造成局部不均勻析出相而降低時效強化效果。

圖3 室內轉向節疲勞臺架試驗

圖4 施加在轉向節上的載荷實時波形

4. 轉向節疲勞試驗驗證

轉向節屬于汽車的安全部件，其安全等級為Ⅰ級。通過大量試驗驗證，轉向節主要失效形式為疲勞破壞，鑒于汽車轉向節的力學性能要求非常高，通常要通過轉向節臺架試驗來驗證其安全性。

道路疲勞試驗具有試驗工況真實、載荷準確的優點，但存在費時、費力、成本高、試驗邊界條件不一致及試驗強化系數不同的缺點。轉向節室內臺架等幅波、載荷譜疲勞試驗，具有強化系數可選擇、時間短、費用低、邊界條件一致的優點。因此，轉向節的疲勞試驗多采用室內臺架試驗完成，圖3是室內轉向節疲勞臺架試驗的實物圖，圖4為室內轉向節臺架試驗載荷譜示意圖。

臺架設備為MTS液壓伺服試驗系統，載荷條件是單軸交變載荷，低頻周期為4Hz，依據標準沃勒曲線比較受損程度，判據是沃勒曲線不允許在2×106范圍內與應力循環曲線相交，轉向節裂紋長度不大于1mm。以A356鋁合金為基材，通過文中提到的熱處理工藝處理后，經過轉向節臺架試驗驗證，鋁合金轉向節在安全性、疲勞壽命均滿足產品要求。

5. 結語

在我國目前的生產力情況下，以A356鋁合金為基材，采用差壓鑄造鋁合金轉向節的生產工藝已經成熟，配合適當的熱處理工藝，完全可以滿足道路車輛對轉向節的安全性要求。差壓鑄造鋁合金轉向節工藝及其熱處理工藝的成熟，實現了高性能鋁合金汽車轉向節的產業化與規模化應用，提高了我國汽車零部件產品的創新能力和自主品牌汽車的競爭力。

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