分享 | 帶你了解汽車結(jié)構(gòu)件的壓鑄技術(shù)

1. 前言

由于性能及品質(zhì)要求高，汽車結(jié)構(gòu)件大多采用鐵或鋼質(zhì)材料，通過(guò)其他制造工藝生產(chǎn)。汽車輕量化的要求，這類鑄件正在向輕合金轉(zhuǎn)化。采用壓鑄工藝生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件不但可以縮短生產(chǎn)周期，還可達(dá)到精近化，省去大量的機(jī)加工序，節(jié)約成本，但壓鑄工藝生產(chǎn)難度大。布勒公司針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)和多年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了 Structual結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝。布勒 Structural 結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝主要涉及壓鑄機(jī)、壓鑄模具、合金材料、合金液處理、真空應(yīng)用、工藝優(yōu)化等因素。生產(chǎn)實(shí)踐證明，正確處置上述工藝因素，完全可以在通用壓鑄機(jī)上生產(chǎn)出合格的結(jié)構(gòu)件。

2. 結(jié)構(gòu)件的特征和要求

汽車結(jié)構(gòu)件指的是汽車中的承載件或受力件，與汽車安全性密切相關(guān)。在汽車車身中，許多結(jié)構(gòu)件裝在車身結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上并與其他構(gòu)件連接形成抗變形的高強(qiáng)度框架，這類結(jié)構(gòu)件通常具有尺寸大、壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征。

圖1是AudiA8轎車鋁合金車身，其中紅色部位系鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件。由于在行駛中要保證汽車可靠的安全性，對(duì)這類壓鑄件的機(jī)械性能要求高，韌性相關(guān)的結(jié)構(gòu)件一般要求抗拉強(qiáng)度≥180MPa，伸長(zhǎng)率≥10%；強(qiáng)度相關(guān)的結(jié)構(gòu)件，一般要求抗拉強(qiáng)度≥210MPa，伸長(zhǎng)率≥7%。為獲得高性能，結(jié)構(gòu)件往往需要熱處理。如果與其它構(gòu)件連接，還需要良好的焊接性或鉚接性。顯然，常規(guī)的壓鑄工藝無(wú)法滿足汽車結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)要求，結(jié)構(gòu)件的壓鑄生產(chǎn)需要進(jìn)行新的工藝開(kāi)發(fā)。

3. 布勒 Structural 結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝要素

布勒 Structual 結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝為壓鑄工廠生產(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)件提供了完整的技術(shù)和工藝解決方案，在歐洲壓鑄廠的實(shí)際生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。布勒 Structural 結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝涉及的主要工藝措施或因素包括合金、模具、真空、澆注、噴涂及擠壓等幾個(gè)方面，以下進(jìn)行分別介紹。

3.1 壓鑄合金

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)壓鑄合金不能滿足汽車結(jié)構(gòu)件的要求。目前歐洲常用于結(jié)構(gòu)件壓鑄的鋁合金主要是Silafont-36、Magsimal-59和Castasil-37，這些合金通常稱為高韌性合金。與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)壓鑄鋁合金相比，這些合金都嚴(yán)格控制了 Fe 含量，一般控制在 0.2%以下。其意義是避免合金中產(chǎn)生針狀的 AlFeSi 相，該相會(huì)惡化合金的強(qiáng)度、延展性及疲勞性能，在鑄件受力狀態(tài)下還可能誘發(fā)裂紋。Silafont-36合金將Si含量控制在共晶點(diǎn)附近，保持了良好的鑄造性能和充型能力，并通過(guò)提高M(jìn)n 含量防止因 Fe 鐵含量降低而導(dǎo)致的粘?，F(xiàn)象。鎂含量對(duì)該合金的機(jī)械性能影響顯著，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂含量可調(diào)整合金的機(jī)械性能。Silafont-36合金的屈服強(qiáng)度和延伸率與熱處理制度密切相關(guān)。在 T6 熱處理狀態(tài)下，合金的屈服強(qiáng)度可達(dá)210-280MPa，延伸率可達(dá) 7-14%。

Masgsinal-59 合金降低了Si含量，提高了Mg含量，適當(dāng)?shù)?nbsp;Si/Mg 比例改善了合金的鑄造性能和補(bǔ)縮性能。該合金的主要特點(diǎn)是鑄態(tài)下的機(jī)械性能就很高，壁厚在 2-4mm 的情況下，拉伸強(qiáng)度可達(dá)310-340，屈服強(qiáng)度可達(dá)160-220MPa，延伸率可達(dá) 12-18，往往不用熱處理即能滿足結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能要求。但該合金的機(jī)械性能與鑄件壁厚密切相關(guān)，所以特別情況下需要進(jìn)行 T5或類似的時(shí)效處理予以改善。

Castasil-37是近年出現(xiàn)的新型壓鑄鋁合金，具有耐長(zhǎng)期時(shí)效的能力，主要應(yīng)用目標(biāo)是在較高溫度下工作的零部件，保證在整個(gè)使用期內(nèi)具有穩(wěn)定的性能。Castasil-37合金也將Si含量控制在共晶點(diǎn)附近，具有良好的鑄造和充型性能。合金的機(jī)械性能主要受Si、Mn、Mo及Sr等元素的影響，Sr的作用主要是改善Si在合金中的形態(tài)，但過(guò)量Sr會(huì)增加合金的吸氣傾向。在2-3mm壁厚的情況下，鑄態(tài)下合金的拉伸強(qiáng)度可達(dá)260-300，屈服強(qiáng)度可達(dá)120-150MPa，延伸率可達(dá)10-14。

3.2 模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：(1)首先要正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，合理選定澆注系統(tǒng)位置、充型方向以及各部分的尺寸，保證良好的充型順序和流態(tài)。(2)模具的排氣口要設(shè)置在型腔最后充填的位置，保證抽真空持續(xù)至充型結(jié)束。此外，在鑄件的重要部位、液流匯合或容易產(chǎn)生紊流的部位也應(yīng)設(shè)置排氣口，減小這些部位產(chǎn)生缺陷的可能性。(3)應(yīng)對(duì)排氣道面積進(jìn)行仔細(xì)校核，真空通道面積足夠，保證排氣暢通。（4）模具密封性影響真空的形成，必須保證模具密封良好。(5)要仔細(xì)分析模具的熱平衡，合理設(shè)計(jì)冷卻/加熱管道，這是生產(chǎn)中對(duì)模具溫度進(jìn)行有效控制的前提條件。(6)在模具制造之前，最好進(jìn)行充型及凝固方面的模擬，由此可獲得壓鑄過(guò)程信息，有助于模具的改進(jìn)。

3.3 合金熔化和處理

對(duì)于一般用途，Silafont-36 和 Castasil-37 合金無(wú)需特別處理便可用于壓鑄生產(chǎn)。但如果生產(chǎn)高品質(zhì)要求的鑄件，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）采用高純電解金屬配制的合金，熔化過(guò)程中避免金屬雜質(zhì)污染，尤其是Fe、Zn和 Cu，Castasil-37 合金控制雜質(zhì)還包括 Mg。（2）快速熔化，防止金屬液氧化及偏析現(xiàn)象。氧化物和硬夾雜對(duì)鑄件的鑄造性能和機(jī)械性能都有不利影響。（3）為保證合金的高延展性，盡可能在爐內(nèi)使用葉片旋轉(zhuǎn)除氫和凈化。（4）控制 Sr 的熔損，過(guò)多熔損會(huì)影響合金的延展性，但 Sr 含量增高會(huì)增加合金的吸氫傾向。Silafont-36 合金還應(yīng)控制 Mg 的熔損，Mg 的熔損會(huì)影響合金的強(qiáng)度。（5）不可過(guò)熱，合金熔化溫度不超過(guò) 780oC。否則，加重合金吸氣及氧化，Sr和Mg 的熔損增加。氧化顯著影響Masgsinal-59 合金的延展性?？焖偃刍笫褂萌~片進(jìn)行深度凈化，合金的優(yōu)勢(shì)才能保持。一般情況下，無(wú)需熔鹽、變質(zhì)劑或堿性稀土等加入熔液中。如果使用回爐料，氬氣或氮?dú)庑D(zhuǎn)除氣工序則是必需的。

3.4 給液（澆注）方式

給液方式指的是金屬液澆入或輸入壓室的方式，圖 2 是幾種典型的給液方式。試驗(yàn)表明給液方式對(duì)鑄件的延伸率有明顯影響。傳統(tǒng)的頂部給液方式容易造成金屬液之間的沖擊、濺液、氧化及卷氣，會(huì)造成鑄件基體組織缺陷，降低延伸率。底部給液方式減少了合金液的擾動(dòng)及熱損失，降低了合金液氧化、產(chǎn)生浮渣微粒以及吸氣的可能性，因而鑄件基體夾雜和缺陷減少，有利于提高鑄件的延伸率。但底部給液方式必需對(duì)壓鑄機(jī)進(jìn)行局部修改，要使用專門的壓室和模具，壓鑄機(jī)可能失去通用性。如果采取優(yōu)化的給液管長(zhǎng)度、給液管加熱、平穩(wěn)給液等特別措施，優(yōu)化頂部給液方式也同樣能達(dá)到提高鑄件延伸率的目的，而不用對(duì)壓鑄機(jī)和壓室進(jìn)行改動(dòng)，壓鑄生產(chǎn)轉(zhuǎn)化方便。

3.5 脫模劑及噴涂工藝

脫模劑或潤(rùn)滑劑可產(chǎn)生氣體進(jìn)入鑄件，增加鑄件中的含氣量。在采用真空工藝時(shí)，脫模劑或潤(rùn)滑劑的揮發(fā)則是鑄件中氣體的重要來(lái)源。在選用脫模劑或潤(rùn)滑劑時(shí)，要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，選用發(fā)氣性低和揮發(fā)性好的產(chǎn)品。其次，要選用先進(jìn)的噴涂設(shè)備，具備高動(dòng)態(tài)特性，噴涂參數(shù)可調(diào)。盡可能減少噴涂量，保證快速噴涂和精確噴涂。噴涂目的主要是保護(hù)模具表面和冷卻模具熱節(jié)，模具的整體溫度控制盡可能由模具內(nèi)部的加熱/冷卻管道完成。在結(jié)構(gòu)件壓鑄生產(chǎn)中，要對(duì)噴涂時(shí)間、噴涂角度和范圍，噴吹距離等因素進(jìn)行優(yōu)化，在型腔中不可有殘留水分，使進(jìn)入鑄件的氣體最少。

3.6 真空工藝

真空充型是結(jié)構(gòu)件壓鑄重要的工藝措施，采用真空工藝應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）及時(shí)啟動(dòng)真空系統(tǒng)，沖頭封住澆料口后立即開(kāi)始抽真空。

（2）真空系統(tǒng)功率足夠，抽真空快速。

（3）壓室充滿前必須達(dá)到要求的真空度，否則影響效果。

（4）盡量延長(zhǎng)抽真空時(shí)間，真空閥盡可能的遲閉合。

試驗(yàn)結(jié)果表明，型腔內(nèi)的絕對(duì)壓力在300mbar 以上時(shí)，對(duì)鑄件的延伸率影響不大。當(dāng)型腔內(nèi)的絕對(duì)壓力達(dá)到 150mbar 以下，鑄件的延伸率才隨真空度的提高而明顯增加。真空度對(duì)鑄件的表面質(zhì)量也有明顯影響，鑄件的表面質(zhì)量隨真空度提高而改善，如圖 3 所示。鑄件中的氣泡隨真空度增加而減少，但氣泡不是影響鑄件延伸率的主導(dǎo)因素。高真空還可以增大壓鑄工藝窗，使壓鑄工藝寬松。但高真空對(duì)真空設(shè)備性能要求高，會(huì)導(dǎo)致真空工藝成本增加。雙回路真空系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)件壓鑄非常有效，圖4（a）是雙回路真空系統(tǒng)原理圖，圖 4（b）是布勒配套的 Vacu2 雙回路真空系統(tǒng)。

雙回路真空系統(tǒng)中一個(gè)回路的抽氣口設(shè)置在壓室的上端，主要用于壓室內(nèi)的空氣抽出。當(dāng)壓射沖頭前行封住澆料口時(shí)，壓室抽真空啟動(dòng)，在沖頭即將封住抽氣口的瞬間關(guān)閉。另一個(gè)回路設(shè)置與傳統(tǒng)的真空工藝基本相同，主要用于型腔內(nèi)的空氣抽出。雙回路真空系統(tǒng)可以加速抽真空的速度，有利于獲得穩(wěn)定的高品質(zhì)鑄件。采用嵌入特殊鋼環(huán)（或銅環(huán)）的壓射沖頭可減小沖頭與壓室之間的間隙，增加密封性。

3.7 壓鑄機(jī)及壓鑄工藝優(yōu)化

壓鑄工藝對(duì)生產(chǎn)合格的汽車結(jié)構(gòu)件十分重要，正確的選擇壓射模式、壓射參數(shù)等有利于減少壓鑄件中的缺陷。壓鑄件中的氣體有相當(dāng)一部分來(lái)自金屬液在壓室中的預(yù)充填階段，所以應(yīng)充分注意優(yōu)化慢壓射階段的壓射模式，避免金屬液在壓室中卷入氣體。應(yīng)正確選用脫模劑和潤(rùn)滑劑，優(yōu)化噴涂工藝。壓鑄機(jī)性能穩(wěn)定，要有靈活的編程模式和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，保證整個(gè)壓鑄過(guò)程合理及工藝參數(shù)偏差最小。對(duì)模具溫度應(yīng)進(jìn)行精確控制，通過(guò)冷卻水分配器，監(jiān)控各個(gè)冷卻回路的流量及溫度，形成要求的溫度分布。良好的模具設(shè)計(jì)，恰當(dāng)?shù)膲鸿T工藝，理想的充型模式，可以保證鑄件品質(zhì)優(yōu)良，減輕對(duì)真空度的依賴。此外，在重要部位或厚壁部位還可以使用擠壓銷，減小縮松或增加密度。使用金屬液前沿傳感器，準(zhǔn)確知道金屬液的流程，可以優(yōu)化充填模式。

4. 壓鑄結(jié)構(gòu)件及應(yīng)用

使用布勒壓鑄機(jī)及 Structual 結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝，汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄在歐洲已形成規(guī)

模生產(chǎn)能力。本節(jié)介紹布勒公司在今年 GIFA 展覽會(huì)上展出的一些壓鑄結(jié)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)件目前已裝入許多車型上，大大減輕了車體重量，改進(jìn)了車身結(jié)構(gòu)，滿足汽車應(yīng)用要求。

圖 5 是 B 形支架，裝于車身中部、前后門之間。壓鑄 B 形支架尺寸穩(wěn)定性高，熱處理后具有很高的屈服強(qiáng)度和延伸率。

圖 6 是鋁合金車門框架壓鑄件。用鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)代替原鋼板結(jié)構(gòu)，整套車門可減輕重量約40kg，減重效果明顯。壓鑄車門框架還具有非常好的剛性，可以使用焊接、鉚接及拴接等技術(shù)，改善裝配精度。圖 7 是前輪減震器上蓋壓鑄件，裝在汽車前端，承受非常大的動(dòng)載荷。該件壁厚僅 3mm，體現(xiàn)了壓鑄件的最佳性能。圖 8 及圖 9分別是縱向構(gòu)件和懸掛臂，裝于車身下部，承載較高載荷，對(duì)強(qiáng)度和延伸性要求高。圖 10 是鎂合金中間控制板，裝于車內(nèi)部中間位置。鎂合金的中控板壓鑄件壁厚僅為 2mm 左右，尺寸精度高，裝配方便，大幅減輕了構(gòu)件的重量。

5. 結(jié)束語(yǔ)

汽車結(jié)構(gòu)件具有很高的強(qiáng)度和韌性要求。布勒 Structual 結(jié)構(gòu)件壓鑄工藝采用通用壓鑄機(jī)，配合輔助的工藝措施及優(yōu)化的工藝因素，實(shí)現(xiàn)了壓鑄汽車結(jié)構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)。由壓鑄工藝生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)件可以進(jìn)行熱處理、焊接、鉚接及粘合連接等，品質(zhì)及性能完全符合要求。壓鑄汽車結(jié)構(gòu)件在歐洲已進(jìn)入汽車市場(chǎng)，并逐步由高檔車向中低檔車普及，應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大。結(jié)構(gòu)件的壓鑄成功，標(biāo)志著壓鑄工藝水平又達(dá)到了一個(gè)新的高度。目前汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄的利潤(rùn)空間較大，中國(guó)壓鑄業(yè)也應(yīng)積極進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和跟進(jìn)，共享壓鑄技術(shù)進(jìn)步成果