某車型鋁合金減震器塔壓鑄材料和工藝設計研究＊

唐淳，闞洪貴，魯后國

（江淮汽車技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

鋁合金具有密度小、比強度大、導熱性好、耐腐蝕性好、致密性好、綜合性能優良等，在汽車輕量化中得到越來越廣泛的應用。在汽車用的鋁合金中，壓鑄鋁合金占比超過50%。壓鑄工藝具有成形精度高、生產效率高等優點，汽車用鋁合金壓鑄件目前已應用于汽車發動機缸體、車輪、底盤懸掛系統等零件。

傳統的減震器塔使用結構鋼板，沖壓成型后進行焊接，或使用緊固件連接。這種結構重量大，連接點多，工序多。如改用鋁合金壓鑄，一方面可取得顯著的減重效果，另一方面，可有效減少零件數量，減少成型和連接環節。

圖1 壓鑄鋁合金減震器塔的應用

鋁合金減震器塔在高端車型上已經得到較多應用，如奧迪A6、奧迪A8、奧迪Q7、路虎攬勝、凱迪拉克ATS、寶馬5系、寶馬E70等車型，圖1（a）是2014年歐洲車身會議上的奔馳C級車，采用鋁合金減震器塔，圖1（b）是2016年日本人車技術展上凱迪拉克 ATS的真空壓鑄鋁合金減震器塔。

1 設計要求

為了進一步提升鋁合金輕量化效果，該鋁合金鑄件需要滿足如表1所示。

表1 鋁合金壓鑄件項目需求

2 壓鑄工藝

2.1 壓鑄工藝種類和特點

壓鑄是特殊的鑄造，不同于普通重力鑄造，壓鑄是在鋁合金液上施加一定壓力，使鋁合金液充滿型腔的工藝，根據壓力不同分為低壓和高壓鑄造，近年來又在壓鑄的基礎上開發了高真空壓鑄，下面是幾種工藝的解釋。

重力鑄造是將液態金屬注入金屬型，在重力作用下結晶凝固獲得鑄件的工藝。凝固順序：自下而上。

低壓鑄造是在裝有液態鋁合金的密封容器（如坩堝）中通入干燥壓縮空氣，作用在保持一定溫度的液態金屬液面上，使金屬液研制升液管自下而上地經過澆道，進入型腔，待金屬液充滿型腔后，增大氣壓，型腔內的金屬液在一定壓力作用下凝固成形，然后解除壓力，使升液管中未凝固的金屬液回落到坩堝中，再開模取件，凝固順序為自上而下。

圖2 壓鑄件中的氣孔，縮孔及夾雜缺陷

壓力鑄造是將液態或半固態金屬，在高壓作用下，以高的速度填充壓鑄模的型腔，并在壓力作用下快速凝固獲得鑄件。壓力鑄造的特點是高壓、高速，缺點是壓鑄件中常伴有氣孔及氧化夾雜物等鑄造缺陷，如圖2所示。

表2 工藝對比

高真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽出，金屬液在真空狀態下充填型腔，因而卷入的氣體少，鑄件的力學性能高，高真空壓鑄繼承和保持了普通壓鑄法的優點。特點是模具型腔中的真空度達91kPa以上，含氣量1-3ml/100g，生產的鑄件可熱處理、可焊，高強高韌。幾種工藝的特點如表2所示[2]。

2.2 減震器塔壓鑄方式選擇

減震器塔是形狀復雜的薄壁件，如果采用重力或低壓鑄造，因為充型速度有限，鋁合金液將在金屬模的快速冷卻下，若零件壁厚較薄，在充型完成前就會大量凝固，從而[3]造成澆不足或冷隔等缺陷。

高壓鑄造可以生成薄壁件，但由于高壓鑄時氣孔及氧化夾雜物等鑄造缺陷，從而降低了壓鑄件質量，不能熱處理且焊接性不好。

高壓真空鑄造除保留了壓鑄件固有的優點外，還可以使用鉚接、焊接等更靈活的連接方式，因此高壓真空鑄造更適合于制造強韌性要求較高的減震器塔。

3 壓鑄鋁合金材料

3.1 化學成分對壓鑄鋁合金性能的影響

壓鑄鋁合金主要化學成分鋁（Al）元素，其余為硅（Si）、銅（Cu）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等合金元素，有時可以根據需要添加變質劑如鈉（Na）、鍶（Sr）等。各元素對鋁合金性能的影響如表3所示。

表3 各元素對鋁合金性能的影響

3.2 壓鑄鋁合金

按照主要成分劃分，壓鑄鋁合金可以概括為：Al-Si系，Al-Si-Mg系，Al-Si-Cu系，Al-Mg系等，其中Al-Si-Cu系合金應用最為廣泛，如國內的YL112、YL113和日本的ADC12等，廣泛應用于汽車的支架、托架、泵體和支臂等結構件。中國，日本和歐洲的壓鑄鋁合金成分見表4，表5和表6。

表4 中國壓鑄鋁合金（GB/T 15115）

表5 日本壓鑄鋁合金（JIS H5302）

表6 歐洲壓鑄鋁合金（EN 1706）

普通壓鑄件上直接取樣測得的機械性能與特制的壓鑄測試片機械性能往往偏差較大，在GB/T 15115和JIS H5302標準中沒有對機械性能進行約束。ISO 3522和EN 1706中列出的壓鑄鋁合金機械性能（供參考），見表7、表8。普通壓鑄鋁合金延伸率較低，一般不超過 3%，研究表明高真空壓鑄可以提升延伸率，但仍然難以滿足汽車結構件對強韌性的需求。

表7 ISO 3522中壓鑄鋁合金機械性能

表8 EN 1706中壓鑄鋁合金機械性能

3.3 高強韌壓鑄鋁合金

為了防止鋁液粘模且腐蝕損壞模具，一般壓鑄鋁合金Fe含量一般比較高，但Fe會與合金中的Al、Si形成針狀的中間化合物FeAl3和Al-Fe-Si，此類中間化合物的存在嚴重削弱了壓鑄件的力學性能，尤其是韌性。對于含 Cu類壓鑄鋁合金而言，時效析出的CuAl2相具有明顯的時效強化效果，在一定范圍內提高壓鑄件的強度，卻降低了壓鑄件的韌性，而且 Cu的加入會導致壓鑄件的耐腐蝕性能降低和熱裂傾向增大。因此，普通的壓鑄合金無法獲得高強度、高塑性、高強韌、耐沖擊和耐腐蝕性能好的壓鑄件。為拓寬壓鑄件的應用范圍，德國、日本等研究人員以高真空技術為基礎，展開了對高強韌鋁合金的開發和研究。目前常用于結構件壓鑄的高強韌鋁合金主要是由 Rheinfelden公司推出的 Silafont-36、Magsimal-39和Castasil-37等。

Silafont-36合金將Si含量控制在共晶點附近，保持了良好的鑄造性能和充型能力，并通過提高Mn含量防止因鐵含量降低可能導致的粘?，F象。

Masgsinal-39合金降低了Si含量，提高了鎂含量。該系合金主要特點是鑄態下的機械性能就很高，往往不用熱處理也能滿足結構件的機械性能要求，但機械性能對鑄件壁厚比較敏感。

Castasil-37，具有耐長期時效的能力。主要應用目標是在較高溫度下工作的零部件，保證在整個使用期內具有穩定的性能。該合金具有良好的鑄造性能和焊接性能，鉚接性能也表現良好。同時鑄態機械性能高，可省去熱處理工序。

這三種壓鑄鋁合金的機械性能如表9所示。

表9 Silafont-36、Magsimal-39和Castasil-37的機械性能

這三種壓鑄鋁合金的性能對比如表10所示。

表10 Silafont-36、Magsimal-39和Castasil-37的性能對比

3.4 減震器塔鋁合金材料定義

減震器塔對塑性要求高，其壓鑄鋁合金成分設計不同于傳統的壓鑄件，合金元素對鋁合金性能的影響在2.1節已經闡述了。Magsimal-59合金Mg含量較高，降低了Si含量，鑄造性能較差，對模具廠和壓鑄廠要求高，制造薄壁復雜減震器塔工藝難度大。Castasil-37雖然塑性較高，但降低 Mg含量到0.06%，其強度相對較低。

Silafont-36通過不同熱處理方式的具有不同的強韌性，其 T6處理狀態能得到最高的強度，目前在歐洲寶馬、奧迪等車型的減震器塔上已經得到了運用，其成分設計特點如下：

（1）Si：保持以Si元素為主，含量8%-12%之間在真空壓鑄條件下此含量的鑄造性能和強度較好。

（2）Fe：含 Fe量降低到（質量分數）0.15%以下，消除了板塊狀的AlFeSi相的存在，使鑄件在受力狀態下不會產生龜裂。

（3）Cu：Cu元素雖然能提升強度，但降低塑性和耐腐蝕性能，降低Cu含量，改為以Mg為主要強化元素，通過熱處理獲得所需機械性能，同時也能提升耐腐蝕性能。

（4）Mn：提高含Mn量減少含Fe脆性相對機械性能的影響，也能降低粘模。

（5）Mg：控制Mg質量分數可獲得不同的力學性能，如Mg質量分數為 0.13%-0.19%的合金，用于耐壓件或連接件如法蘭；Mg質量分數為0.18%-0.24%時，用于有中等屈服強度、疲勞性能和抗壓性能要求的安全件，如汽車的發動機支架，Mg質量分數為0.24%～0.30%的合金適合于承受沖擊、對屈服強度要求較高零部件，如控制架；如Mg質量分數為0.33%～0.40%時可用于要求伸長率的同時還要求壓縮強度的零件，為了獲得穩定的力學性能，Mg質量分數的變化控制在0.07%范圍內[2]。Mg含量對Silafont-36合金力學性能的影響如表11所示。

表11 Mg對Silafont-36合金力學性能的影響

（6）Sr：采用Sr作為長效變質劑，對Si相形態進行先期的改善，改善材料機械性能。

綜合考慮強韌度，耐腐蝕性和壓鑄能力，最終制定的減震器塔選用 Silafont-36（AlSi10MgMn），化學成分范圍如表12所示。

表12 Silafont-36（AlSi10MgMn）

4 熱處理方式

4.1 鋁合金一般熱處理方法及機理

鋁合金的熱處理強化是以合金元素或金屬間化合物在鋁的固溶體中溶解度的變化為基礎，溶解度變化越大，則固溶強化或時效強化越顯著。我國主要熱處理類型、用途如表13所示：

表13 鋁合金主要熱處理類型

對于壓鑄鋁合金，首先最多的強化相是共晶硅相。由于壓鑄過程鋁液凝固速度較快，變質處理對共晶硅變質效果不夠理想，通過適當的熱處理，將共晶硅顆粒化、圓潤化，可起到提高塑性和強度的作用。其次，對于 Al-Si-Mg合金，Mg2Si是其主要的強化相。未經熱處理的Mg2Si往往較集結，呈粗大的骨骼狀。這樣的Mg2Si起到的作用更接近于脆性的夾雜物，很難對機械性能有好的貢獻。經過合適的熱處理，可以使Mg2Si在鋁基體中均勻彌散地分布，且顆粒細小，一般用金相顯微鏡很難觀察到，這樣的組織可強化基體，提高材料機械性能[5-6]。

4.2 減震器塔熱處理方式選擇

減震器塔是底盤重要承載件，需要承擔車體重量和行駛過程減震器的沖擊，需要高強度和韌度，通過 T6處理的Silafont-36具有最高的強度和良好延伸率，因此減震器塔推薦選用T6處理[1]，如果需要更高的塑性，T7處理也能考慮，后期可通過CAE、鉚接等方式進行驗證。

5 結論

（1）汽車減震器塔通常采用鋼板沖壓成型后焊接的方式制造，工藝過程復雜且生產效率低，采用鋁合金壓鑄件代替鋼制焊接總成件，通過功能集成設計，降低零件數量，在確保產品綜合性能的前提下實現輕量化設計，基本料厚1mm～4.0mm，可實現單件減重率≥30%。

（2）高強韌鑄造鋁合金材料制造出的減震器塔，在高端車型上已經得到較多應用，綜合考慮鑄件的強度和韌性，采用 Silafont-36（AlSi10MgMn），主要成型工藝為高真空壓鑄方式，對鑄件進行T6熱處理方式。