新能源汽車自動變速器殼體壓鑄成型技術(shù)

1) 時間控制技術(shù)
時間控制主要是指填充時間、增壓建壓時間，持壓時間及留模時間的控制。這些時間的確定主要是壓力、速度、溫度、熔融金屬物理特性、鑄件結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)等多因素的綜合作用結(jié)果。因此，時間在壓鑄工藝上是至關(guān)重要的。但由于涉及因素較多，其控制難度很大。熔融金屬在壓力作用下開始進入型腔直到充滿的過程所需的時間稱為填充時間，是填充過程中各種因素相互協(xié)調(diào)程度的綜合反映。填充時間的確定基于以下因素: 合金澆鑄溫度高時，填充時間可選長些; 模具溫度高時，填充時間可選長些; 鑄件厚壁部分離內(nèi)澆口遠時，填充時間可選長些; 熔化潛熱和比熱高的合金，填充時間可選長些。增壓建壓時間是指熔融金屬在充型過程中的增壓階段，從充滿型腔的瞬時開始，直至增壓壓力達到預(yù)定值所需建立起來的時間，亦即壓射比壓上升到增壓比壓建立起來所需的時間。熔融金屬充滿型腔后，使熔融金屬在增壓比壓作用下凝固的這段時間，稱為持壓時間。持壓作用是使壓射沖頭將壓力通過還未凝固的余料、澆口部分的金屬傳遞到型腔，使正在凝固的金屬在高壓下結(jié)晶，從而獲得致密的鑄件。

2． 2 壓鑄用新型鋁合金的研發(fā)
傳統(tǒng)壓鑄鋁合金種類較多，就其體系而言，主要包括Al －Si 系、Al －Si －Cu 系、Al －Si －Mg 系、Al －Mg 系。每一種體系的物理性能、力學(xué)性能及工藝性能明顯不同。Al －Si 系壓鑄鋁合金一般為共晶鋁合金，抗熱裂性能及流動性能較好，但無法進行熱處理強化且抗拉強度較低; Al－ Si －Mg 系壓鑄鋁合金一般為亞共晶鋁合金，具有較好的抗腐蝕性能，沖擊韌性和屈服強度也較高，但是材料的鑄造性能較差。Al －Mg 系與Al －Si －Mg 系類似，耐腐蝕性能與沖擊韌性都相對較好，但是鑄造性能較差。由于本文關(guān)注的新能源汽車用帶有內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)的變速器殼體局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則要求采用的鋁合金在壓鑄過程中流動性應(yīng)比較好; 齒輪耐磨，則要求鋁合金的硬度較高。上述的Al－ Si 系、Al －Si －Mg 系、Al －Mg 系均難以同時滿足產(chǎn)品要求。對于Al －Si －Cu 系而言，不論是亞共晶的YL112 還是過共晶的 YL113 和 YL117，其流動性能都非常優(yōu)異，可以滿足成型復(fù)雜壓鑄件的需求，對模具型腔復(fù)雜部分可以較好地充填。另外，Al － Si － Cu 系的鋁合金氣密性、抗熱裂性能較好。另外，熱膨脹系數(shù)較低，壓鑄件成型后不易變形。Al －Si －Cu 系最突出的優(yōu)點是耐磨性能較好。

所以，從本文關(guān)注的具有局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)、尺寸精度以及耐磨性要求較高的新能源汽車用變速器殼體，只有采用Al－Si －Cu 系才能同時滿足幾方面的綜合要求。
在硬度方面較為突出的Al －Si －Cu 系典型牌號為YL117( YZAlSi17Cu5Mg) ，其布氏硬度值約為HB100 －110; 對于Al －Zn 系壓鑄鋁合金而言，硬度值相對較大的為 ZL401，其硬度值約為 HB80 － 90。ZL401 鑄造性能優(yōu)良，線收縮率低并具有良好的室溫力學(xué)性能、切削加工性能和焊接性。其主要缺點是合金的熱強性不高，密度大，耐蝕性也較差。所以從耐腐蝕性能以及減重方面的要求，ZL401 是難以滿足產(chǎn)品要求的。

但YL117 的硬度還不足以解決內(nèi)齒輪耐磨性的問題。所以為解決壓鑄鋁合金的耐磨性問題，還需在Al －Si－ Cu 系的基礎(chǔ)上對其成分優(yōu)化設(shè)計。首先，基于耐磨性以及提高流動性能的要求，必須提高合金中的硅含量，硅含量超出12% 后，則形成過共晶的Al －Si 二元合金系，其流動性能優(yōu)異，可以滿足復(fù)雜壓鑄件的充型要求; 其次，提高硅含量可以大大提高合金耐磨性。此外，提高硅元素含量還可以減小熱裂、縮松傾向，提高壓鑄件的致密度。單純從提高耐磨性的角度來看，硅元素的含量甚至可以高達25 －28%。但是，硅元素含量過高，將導(dǎo)致很多的問題。過共晶的高硅Al －Si 合金組織中常出現(xiàn)多邊形初晶硅和長條形共晶硅。而共晶硅易呈針片狀或長條狀，嚴重削弱合金的機械性能，并且由于局部的共晶硅硬度值過高，對后續(xù)的切削性能造成嚴重的危害。盡管如此，世界范圍內(nèi)發(fā)展高硅壓鑄鋁合金的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。重慶有色金屬研究所及北京航空材料研究院都研發(fā)了具有高硅含量的新型耐磨鋁合金，最高的Si 元素含量為28% ，其耐磨性相對于傳統(tǒng)壓鑄鋁合金有了大幅度提升。德國BENZ 公司也研發(fā)了高硅壓鑄鋁合金，主要應(yīng)用于V6 發(fā)動機缸套，其耐磨性能與鑄鐵缸套相當(dāng)。

在過共晶的高硅鋁合金中加入Cu 元素，除了考慮Cu 元素的固溶強化的作用，還考慮到Cu 元素易于其他合金元素容易產(chǎn)生金屬間化合物相和共晶組織，作為合金中的強化相和耐磨相，可以有效提高壓鑄鋁合金的硬度和強度。在Mg 元素添加至過共晶的Al －Si 合金中后，除少量與鋁形成固溶體，主要與Si 元素可形成Mg2Si 沉淀相，通過彌散強化的作用機制提高壓鑄鋁合金的綜合性能。此外，Mg 還可抑制 Fe 相的有害作用。當(dāng)含 Fe 量增加時，可形成Al －Fe －Si －Mg 化合物，從而減少Fe 的危害。但過量的Cu、Mg 元素加入，易造成成分偏析，使合金性能不均勻。另外過量Cu 元素的加入將嚴重降低合金的耐腐蝕性。

稀土元素由于擁有獨特的性質(zhì)在金屬材料的應(yīng)用中得以廣泛重視。適量的稀土元素的加入可以提高組織穩(wěn)定性以及提高合金的綜合性能。稀土元素在鋁合金中的強化作用主要表現(xiàn)在固溶強化、細晶強化以及第二相析出時的彌散強化。有研究表明，適量的Ce 加入，一方面可以細化合金晶粒; 另一方面，可以形成針狀析出相，提高合金的耐磨性能。但過量的稀土元素加入后的合金在承受磨損的工況時，表面存在大量剝落坑，與大量析出相存在直接關(guān)系。稀土氧化物具有熔點高、比重大的特征。適量的稀土氧化物的加入，可以將鋁合金的耐磨性提高20% 以上。

通過在高硅過共晶Al －Si 鋁合金體系中添加Cu、Mg 元素、稀土元素及稀土氧化物，可以顯著改善壓鑄鋁合金的耐磨性及其綜合力學(xué)性能，必然成為耐磨壓鑄件選材或合金設(shè)計的必然趨勢。

2. 3 內(nèi)齒輪表面局部強化技術(shù)
對新能源汽車用的壓鑄鋁合金變速器殼體的內(nèi)齒輪進行局部表面強化，目前主要有以下三大類重要方法。

a) 原位氧化方法
原位氧化方法，主要包括化學(xué)氧化、陽極氧化、微弧氧化等方法?；瘜W(xué)氧化法是在一定溫度下，通過化學(xué)反應(yīng)在鋁合金表面生成一層薄的氧化膜。這種膜很薄，膜層質(zhì)軟，耐磨性很低，故不能單獨使用。常規(guī)陽極氧化是以鋁合金為陽極，用鉛、碳或不銹鋼做陰極，在草酸、硫酸、鉻酸等電解液中氧化，得到納米孔排列高度有序的多孔型陽極氧化鋁膜。該膜是由致密的阻擋層和柱狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成的雙層結(jié)構(gòu)。微弧氧化又稱等離子體氧化，是在陽極氧化基礎(chǔ)上，在金屬表面原位生長陶瓷層的一種表面處理技術(shù)。其原理是在堿性溶液中，在微弧氧化專用電源所提供的外加電場作用下，使陽極工件表面在高于法拉第放電區(qū)外的微弧區(qū)產(chǎn)生微弧放電，同時產(chǎn)生瞬間高溫高壓，在電、熱、等離子體等因素作用下，反應(yīng)生成氧化鋁陶瓷薄層，厚度可自 1 μm 至 200 μm 甚至更大，具有很高的硬度和耐磨、耐高溫性。

b) 表面碾磨( SMAT) 方法
通過在高頻、多向的載荷作用，在金屬材料表面通過強烈的塑性變形 獲得一層無孔隙、無污染且與基體沒有結(jié)合界面的納米晶層，即實現(xiàn)材料表面的納米化。由于表面納米化，能夠通過表面組織的優(yōu)化明顯地提高材料表面和整體的綜合性能，并且在工業(yè)上易于實現(xiàn)，可望取得實際應(yīng)用。但由于表面納米晶化的研究剛剛起步，近年來已有文獻初步對不同金屬表面采用表面機械研磨技術(shù)成功制備出納米晶結(jié)構(gòu)層，包括鋁合金、低碳鋼、不銹鋼、工業(yè)純鈦等立方結(jié)構(gòu)材料。目前，表面碾磨的變形機制尚未完全掌握。另外，對于具有復(fù)雜形狀的零件的表面碾磨，工藝和技術(shù)尚難以真正應(yīng)用。

c) 外部引入硬質(zhì)涂層方法
采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、噴涂等技術(shù)將硬質(zhì)或超硬涂層從外部引入到鋁合金表面的方法。但現(xiàn)有的方法一般都難以實現(xiàn)在復(fù)雜壓鑄件表面局部進行涂層 制備。

3、結(jié)論
1) 采用有限元方法對新能源汽車用變速器殼體的壓鑄進行仿真計算是必須的，可以對壓鑄模具的型腔結(jié)構(gòu)、澆排系統(tǒng)、熔體填充、凝固及模具熱應(yīng)力進行優(yōu)化計算。另外，對壓鑄時的溫度及時間等關(guān)鍵工藝參數(shù)必須進行嚴格控制;

2) 為滿足新能源汽車用變速器殼體內(nèi)齒輪耐磨性的要求，需采用過共晶高硅鋁合金，在控制Cu 元素和Mg 元素含量的基礎(chǔ)上，應(yīng)添加稀土元素或稀土氧化物，以改善壓鑄鋁合金的綜合性能;

3) 采用微弧氧化技術(shù)可以對新能源汽車用鋁合金變速器殼體的內(nèi)齒輪進行局部強化，形成硬質(zhì)且較厚的氧化鋁層，能夠滿足內(nèi)齒輪的產(chǎn)品要求且易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。