鍛造鋁合金上橫臂減重46%

目前，國內(nèi)汽車輕量化的呼聲越來越高漲，各個車企也都在輕量化領(lǐng)域加大投入力度，包括鋁合金鍛造材料和工藝的研發(fā)，也增加了其在汽車關(guān)部件上的應(yīng)用范圍。

圖1 上橫臂外觀

上橫臂是雙橫臂獨立懸架的重要零部件，在工作過程中主要承受側(cè)向力和縱向力，鍛造鋁合金上橫臂不僅能夠使整車減重5?kg，而且在受到碰撞后所吸收的能量要比鑄造鋁合金高出50%左右，還能夠提高汽車的操縱安全性。上橫臂的實體零件如圖1所示，外形輪廓雖然較簡單，但除了端頭部位其他地方變形較大，鍛造技術(shù)難度也較大，表面精度要求比較高。
文中對鍛造上橫臂進行CAE仿真模擬，在保證安全的基礎(chǔ)上，最大限度優(yōu)化了零件結(jié)構(gòu)。并對粗晶引發(fā)疲勞斷裂的上橫臂進行分析，提出相應(yīng)的改進措施。

上橫臂材料的選擇

表1  6000系鍛造鋁合金的機械性能對比

上橫臂是汽車上的安全結(jié)構(gòu)件，安全系數(shù)要求較高，需要選用力學(xué)性能較高的材料。目前，鍛造鋁合金通常采用高強度可熱處理的6000系合金，如6082、6061等鋁合金，為了進一步提高軍車的可靠性，本文選用更高強度的6A10鋁合金，其屈服強度可達到330 MPa以上，能夠保證軍車具有更高的安全系數(shù)。6082、6061和6A10三種鍛造鋁合金的機械性能對比如表1所示。

上橫臂的CAE分析

圖2  上橫臂六種工況下的受力情況（初始形狀）

結(jié)合某型號軍車鋼制件的外形、受力情況及使用環(huán)境初步確定上橫臂的外形結(jié)構(gòu)，上橫臂采用V型結(jié)構(gòu)。通過CAE仿真模擬，分析上橫臂在6種典型工況下的應(yīng)力分布，由圖2可以看出：初始形狀的上橫臂在工況2、工況3、工況5和工況6的最大應(yīng)力都高于240?MPa的要求值，不滿足強度要求，且最大應(yīng)力集中在零件的邊緣區(qū)域，此區(qū)域是上橫臂的易變形失效的薄弱部位，中間區(qū)域的受力較小。根據(jù)上橫臂的這一受力特點進行設(shè)計優(yōu)化，增加邊緣區(qū)域的厚度，同時在邊緣區(qū)域做加強筋，將零件的中心區(qū)域減薄。改進后重新進行CAE計算模擬，以上工況的最大應(yīng)力均滿足要求，且最大應(yīng)力值下降50%，完全滿足零件的使用要求，改進前后的上橫臂在不同工況下的最大應(yīng)力如表2所示。采用鍛造鋁合金設(shè)計的上橫臂質(zhì)量1.45 kg，比鋼制件減輕了46%。

表2  不同工況上橫臂所受的最大力匯總 

鍛造鋁合金上橫臂的制造工藝

上橫臂鍛件的外形較復(fù)雜，截面變化也較大，而且尺寸精度和表面質(zhì)量要求都較高，因此要嚴(yán)格控制鍛造工藝流程和熱處理工藝。由于鋁合金的外摩擦因數(shù)大、流動性差，若變形速度太快，易使鍛件產(chǎn)生起皮、折疊、晶粒結(jié)構(gòu)不均勻和開裂等缺陷。結(jié)合上橫臂的自身結(jié)構(gòu)特點，采用輥鍛機進行制坯，電動螺旋壓力機進行鍛造。為減小鋁合金的變形量，采用預(yù)鍛加終鍛二次鍛造成型。

為了提高上橫臂的強度，保證其具有良好的綜合性能，還需要進行T6熱處理，在熱處理過程中，必須要嚴(yán)格控制固溶處理溫度，將鍛胚放入保溫爐內(nèi)，升溫至535℃，保溫2 h，水冷后，放保溫爐內(nèi)，升溫至175℃，保溫2 h，為減少鍛件的淬火變形和殘余應(yīng)力，一般會在水中加入聚二醇。此外，要盡可能縮短淬火轉(zhuǎn)移時間。

上橫臂的金相組織及性能檢測

1. 材質(zhì)分析

通過線切割在上橫臂的端頭處取試驗樣塊，將樣塊打磨后，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/ T7999《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》進行化學(xué)成分檢測，上橫臂材質(zhì)的最終檢測結(jié)果如表3所示。

2. 金相組織

在上橫臂的腹板處取金相樣塊，進行磨樣拋光處理后，采用NaOH水溶液進行腐蝕，觀察腐蝕后的顯微組織發(fā)現(xiàn)：心部金相組織晶粒細小均勻，整體呈方向性分布，主要強化相已完全固溶于α固溶體基體；而邊緣金相組織晶粒比較粗大，且粗晶的內(nèi)部存在少量細小的亞晶粒。這種粗晶缺陷不僅會導(dǎo)致鍛件的塑性和韌性降低，而且在鍛件中的粗晶組織區(qū)及粗晶組織與細晶組織過渡區(qū)，材料的疲勞強度降低，此處容易引發(fā)疲勞斷裂。    

3. 低倍流線

在上橫臂的腹板和端頭處截取樣塊，磨樣拋光后，用100?g/L的NaOH溶液腐蝕15?min后，迅速轉(zhuǎn)移用流動的清水沖洗，然后用20%的HNO3溶液清洗，除去表面黑色堿產(chǎn)物，再用流動的清水沖洗。

上橫臂腹板處腐蝕后的橫向斷口流線和端頭的橫向斷口流線都清晰可見，均沿鍛件外形輪廓連續(xù)分布，中間區(qū)域的組織細密。在腹板的邊緣和端頭的圓周處都有粗大的再結(jié)晶晶粒組織，厚度約為1 mm，更進一步驗證了粗晶缺陷的存在。這種粗晶缺陷容易在鍛件的表層及腹板與加強筋的交界處產(chǎn)生。

4. 機械性能

表4  上橫臂的機械性能數(shù)據(jù)表

在上橫臂的邊緣部位順流線方向取拉伸試樣進行力學(xué)性能檢測，拉伸試棒采用5d0的圓
形標(biāo)準(zhǔn)試樣，L0=50 mm，d0=10 mm。通過試驗數(shù)據(jù)分析，上橫臂的強度均高于6082鍛造鋁合金的強度，且上橫臂的屈強比達到91%，具體的機械性能見表4。因此，上橫臂的力學(xué)性能完全滿足使用要求。

臺架試驗

對上橫臂總成（均帶襯套總成）進行臺架試驗，將樣品固定在液壓伺服試驗設(shè)備上。樣品的加載方式如圖3所示，安裝和臺架試驗如圖4所示。先在X方向施加正弦波載荷F1=±6 000 N，試驗頻率2 Hz，循環(huán)次數(shù)1萬次；然后在Y方向施加正弦波載荷F2=±6 500 N，試驗頻率2 Hz，循環(huán)次數(shù)100萬次，整個試驗過程中，對固定端的襯套進行強制風(fēng)冷。試驗后檢查樣品是否變形、破裂。上橫臂在Y方向加載循環(huán)試驗進行至33.8萬次時發(fā)生斷裂，斷裂部位如圖5所示，在短臂與襯套孔的過渡處斷裂，斷口與襯套孔的軸向平行。
失效分析及改進措施

1. 斷口分析

對斷裂上橫臂的斷口進行分析，其宏觀斷口由扇形的光滑細膩區(qū)和粗糙區(qū)兩部分組成，其中光滑區(qū)約占整個斷面面積的40%，從斷面上的紋路走向判斷，上橫臂的裂紋起源于上橫臂的次表層。通過掃描電子顯微鏡觀察斷口，裂紋源區(qū)距離上橫臂表面約0.9 mm，繼續(xù)放大觀察，裂紋源區(qū)不存在缺陷，光滑細膩區(qū)的微觀形貌為疲勞特征，粗糙區(qū)的微觀形貌為韌窩，詳見圖6。

圖6  斷口的宏觀和微觀形貌

圖7  斷口的宏觀和微觀組織

垂直于上橫臂的斷口進行解剖，觀察截面的組織，斷裂的上橫臂表層存在深約1.05 mm的粗晶區(qū)，如圖7所示，裂紋起源于粗晶區(qū)和細晶區(qū)的交界處，箭頭指向處粗晶的晶粒內(nèi)部存在少量細小的亞晶粒。

對斷裂上橫臂的表層粗晶區(qū)和心部細晶區(qū)分別進行硬度檢測，表層粗晶區(qū)的硬度明顯低于心部的細晶區(qū)，表層硬度平均為123HV，心部硬度為131HV。

2. 改進措施

通過對斷裂上橫臂斷口的分析推測，上橫臂表層存在的粗晶缺陷是引起疲勞斷裂的主要原因。為了合理控制粗晶的產(chǎn)生，可以從結(jié)構(gòu)調(diào)整和鍛造工藝控制兩個方向改進：

（1） 增加短臂與襯套孔處的圓角，減小變形量，盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中；

（2） 合理控制鍛造溫度，鍛造的初始溫度設(shè)定在470℃，保證終鍛溫度控制在410℃以上；

（3） 保證鍛造模具的溫度，鍛造時模具溫度過低，可能在金屬表面形成粗晶，因此，模具溫度要控制在350℃以上。

3. 臺架驗證

對改進后的上橫臂重新進行臺架試驗驗證，試驗結(jié)束后，樣件沒有變形、斷裂的現(xiàn)象，滿足試驗要求。對試驗后的上橫臂進行解剖，觀察短臂與襯套孔過渡處的流線，也未發(fā)現(xiàn)有粗大的再結(jié)晶缺陷。因此，改進后的上橫臂消除了粗晶缺陷，完全滿足軍車的使用要求。

結(jié)束語

（1） 采用高強度的鍛造鋁合金6A10替代傳統(tǒng)的鋼板生產(chǎn)上橫臂，使整車減重5?kg，達到明顯的輕量化效果。

（2） 上橫臂采用鍛造工藝生產(chǎn)，進行固溶時效處理后，機械性能非常高，屈服強達到370?MPa以上，其安全系數(shù)非常高，因此在強度方面該零件滿足設(shè)計要求。