新能源汽車自動(dòng)變速器殼體壓鑄成型技術(shù)

1) 時(shí)間控制技術(shù)
時(shí)間控制主要是指填充時(shí)間、增壓建壓時(shí)間，持壓時(shí)間及留模時(shí)間的控制。這些時(shí)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(shí)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(jìn)入型腔直到充滿的過程所需的時(shí)間稱為填充時(shí)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(shí)間的確定基于以下因素: 合金澆鑄溫度高時(shí)，填充時(shí)間可選長些; 模具溫度高時(shí)，填充時(shí)間可選長些; 鑄件厚壁部分離內(nèi)澆口遠(yuǎn)時(shí)，填充時(shí)間可選長些; 熔化潛熱和比熱高的合金，填充時(shí)間可選長些。增壓建壓時(shí)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(shí)開始，直至增壓壓力達(dá)到預(yù)定值所需建立起來的時(shí)間，亦即壓射比壓上升到增壓比壓建立起來所需的時(shí)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(shí)間，稱為持壓時(shí)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(dòng)性能較好，但無法進(jìn)行熱處理強(qiáng)化且抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(dòng)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(shí)滿足產(chǎn)品要求。對(duì)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(dòng)性能都非常優(yōu)異，可以滿足成型復(fù)雜壓鑄件的需求，對(duì)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(diǎn)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(shí)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(hào)為YL117( YZAlSi17Cu5Mg) ，其布氏硬度值約為HB100 －110; 對(duì)于Al －Zn 系壓鑄鋁合金而言，硬度值相對(duì)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(diǎn)是合金的熱強(qiáng)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(duì)其成分優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，基于耐磨性以及提高流動(dòng)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(dòng)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(dá)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(yán)重削弱合金的機(jī)械性能，并且由于局部的共晶硅硬度值過高，對(duì)后續(xù)的切削性能造成嚴(yán)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(shì)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(duì)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)化相和耐磨相，可以有效提高壓鑄鋁合金的硬度和強(qiáng)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(qiáng)化的作用機(jī)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(shí)，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(yán)重降低合金的耐腐蝕性。

稀土元素由于擁有獨(dú)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(qiáng)化作用主要表現(xiàn)在固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化以及第二相析出時(shí)的彌散強(qiáng)化。有研究表明，適量的Ce 加入，一方面可以細(xì)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(shí)，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(diǎn)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(jì)的必然趨勢(shì)。

2. 3 內(nèi)齒輪表面局部強(qiáng)化技術(shù)
對(duì)新能源汽車用的壓鑄鋁合金變速器殼體的內(nèi)齒輪進(jìn)行局部表面強(qiáng)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。化學(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(dú)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(chǎng)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(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)，可望取得實(shí)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(xiàn)初步對(duì)不同金屬表面采用表面機(jī)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(jī)制尚未完全掌握。另外，對(duì)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(shí)現(xiàn)在復(fù)雜壓鑄件表面局部進(jìn)行涂層 制備。

3、結(jié)論
1) 采用有限元方法對(duì)新能源汽車用變速器殼體的壓鑄進(jìn)行仿真計(jì)算是必須的，可以對(duì)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(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。另外，對(duì)壓鑄時(shí)的溫度及時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)必須進(jìn)行嚴(yán)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(duì)新能源汽車用鋁合金變速器殼體的內(nèi)齒輪進(jìn)行局部強(qiáng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。