原标题：广汽传祺&广州金邦：挤压铸造工艺在混动车悬置上的应用

随着节能减排和油耗排放法规日趋严格，汽车轻量化日益受到重视，尤其对材料屈服强度、伸长率要求高的零件，挤压铸造（又称液态模锻）是一种非常适合的成形工艺。挤压铸造技术起源于20世纪30年代，主要用于军工领域，20世纪70年代，日本一些公司研发出了专业的挤压铸造设备，并进行了产业化，广泛地应用于汽车、军工等领域。20世纪70年代挤压铸造工艺在国内开始起步，本世纪初苏州三基开发出专业的挤压铸造机，打破了日本的技术垄断。近年来，在国内研究者的共同努力下，我国的挤压铸造技术包括设备、模具、铸造工艺上得到了快速发展。

图文结果

挤压铸造是对注入金属模具中的液态或半固态金属施加较高的机械压力（100 MPa），使其成形和凝固而获得毛坯的工艺方法。由于高压凝固和塑性变形同时存在，挤压铸造生产的零件无缩孔、缩松等缺陷，组织致密，经过T6热处理后，力学性能接近锻件水平。另外，铝合金的径向尺寸精度可达IT12~IT13，无需冒口补缩，工序简化，合金利用率高，在汽车轻量化方面应用前景广泛。挤压铸造根据铸件上的受力形式及金属液充填型腔状态分为两大类，一类为直接式挤压铸造（型腔内加压）：冲头的压力直接作用在铸件的端部和表面上，加压效果好，铸件局部产生微量塑性变形组织，适用于生产厚壁和形状简单的铸件。另一类为间接式挤压铸造（压室内加压）：工件成形时所受到的压力由压室内的液态金属在压（冲）头力的作用下经浇道传递到铸件上，外力并未直接作用在铸件上，没有塑性变形组织。此种方式更加灵活，可生产形状复杂、壁厚差较大的铸件，铸件尺寸精度高、性能好。挤压铸造常规由于充型速度慢，能减少卷气和金属紊流，铸件含气量少，气密性好，可进行T4、T5、T6热处理以提升铸件力学性能，可焊接、可阳极氧化。挤压铸造与常规压铸主要区别在于铸型的充填速度和生产零件的组织致密度，示意图见图1。图2为不同铸造工艺下的含气量对比。可以看出采用挤压铸造生产的零件致密度高于真空压铸。

图1 挤压铸造和压铸对比示意图

图2 铸造工艺含气量对比

挤压铸造一般采用A356.2铝合金，相当于国标ZL101A，Si和Fe含量较低，对铝液需要用Sr或Ti进行变质处理。重力铸造、常规压铸与挤压铸造件力学性能对比见表1。挤压铸造零件经过T6热处理［随炉加热2 h至525~530 ℃，保温4~6 h出炉，在20 ℃温水中进行淬火；再进行（155~160 ℃）×4 h的时效处理］后，伸长率大幅提升，特别适用于对塑性变形要求较高的零件。汽车悬置的支架和托臂一般采用铝合金压铸，托臂也有少部分企业采用球墨铸铁或铝合金重力铸造。常规压铸容易产生气孔，内部组织不致密，容易断裂，不能进行T6热处理。重力铸造件伸长率较低，屈服强度达不到混动车载荷要求。球墨铸铁易锈蚀影响到耐久可靠性，而且比较重，不利于环保和整车减重。混动汽车在启动瞬间或加减速时冲击载荷很大，采用铝合金重力铸造难以承受冲击载荷，容易断裂。某品牌混动车的悬置托臂起初设计为重力铸造ZL111，在连续减速带急加减速7个试验循环时，悬置断裂导致发动机下沉。使用三分力传感器及应变片实测悬置载荷，发现左、右悬置X/Y向实际载荷均比零件实际破坏力要大，见表2。由此可知，冲击载荷过大和零件强度不足为悬置断裂根本原因。该混动车启停瞬间加速度高达3g，远远大于传统燃油车加速度1g（动总质量）。悬置支架和托臂通过ABAQUS软件、以A356.2铝合金拉伸试验数据（按国标进行试棒拉伸试验）为材料输入、边界条件采用悬置支架安装固定位置坐标，建立有限元模型进行CAE仿真分析，结果见图3及表3，A356.2合金挤压铸件可以承受实车最大载荷，决定将悬置支架和托臂改为挤压铸造。

表1 零件力学性能对比

表2 悬置理论和实车载荷及断裂情况

图3 CAE仿真分析结果

表3 挤压铸造破坏力仿真分析结果

车辆在连续减速带路面，每3个减速带为一组，共11组，完整通过11组减速带为1次试验。以40~50 km/h急加速过第1、2组减速带，再急减速过第3、4组减速带，再急加速过第5、6组减速带，如此类推。试验进行到第7个循环时，悬置壳体和托臂均断裂，断裂图见图4。

悬置支架和托臂采用挤压铸造工艺，挤压铸造工艺流程为：铝液熔化→铝液精炼除气→模具准备→浇注→合模施压→挤压→顶出铸件→锯切打磨→T6热处理→X光检查→抛丸→CNC机加→检验包装。按以下规程实施破坏力试验：将悬置总成与试验工装紧固，测试装配示意图见图5。在悬置支架上沿着X、Y、Z方向施加载荷，加载速度为15 mm/min，直至支架发生断裂或达到规定的最大载荷。除抗扭拉杆支架外，其他悬置支架在开展X、Y方向测试时应在Z方向增加-1g预载。记录试验过程载荷和悬置支架变形曲线。悬置支架断裂或产生塑性变形时载荷值为最小破坏力。从零件测试结果看，有超过50%的零件破坏力仍不满足技术要求，破坏力测试结果见表4。图6为断口外观及X光检测结果。可以看出破坏力不合格件的断裂部位存在缩松。

图4 支架和托臂断裂位置图

图5 破坏力测试示意图

表4 悬置破坏力测试结果（标准≥56 kN）

图6 断口外观及X光检测结果

图7和图8分别为缩松部位金相组织及SEM图。可以看出，断口成分主要是Al、Si和O（见图9）。金相组织显示有细微裂纹缩松，缩松附近有冷凝偏析，断口主要物质为氧化物及缩松。通过X光及断口分析，发现缩松主要靠近浇口根部表面，而此处受X-方向载荷很大，试验结果显示破坏力只有45 kN左右，没有缩松的产品破坏力能达到80 kN左右，说明缩松导致的表面微裂纹是致使产品X-向强度降低的主要原因。

图7 缺陷部位缩松图

图8 缺陷部位扫描电镜图

图9 缺陷部位能谱分析结果

从断口显微分析、能谱分析结果来看，断口缩松的主要原因是液态金属冷却时，厚大部位最后凝固，补缩距离太长而没法对树枝晶进行有效补缩。进一步分析发现，模具设计时设置的局部挤压补缩结构在生产时存在卡死或不顺畅现象，从而造成局部挤压压力不够，导致浇口厚大部位得不到补缩而存在缩松或缩孔，造成组织不致密，强度下降。为解决挤压压头卡死，增加单位面积的挤压压力并调整该结构的配合间隙，将局部挤压压头直径由ϕ18 mm改为ϕ16 mm，见图10，同时将内浇口移动到远离最大应力区15 mm，见图11。目前内浇口设置在零件最大应力区，浇口设置和局部挤压结构见图12。修改模具后，重新生产的零件破坏力测试均合格、而且安全余量较高，结果见表5。

图10 原浇口位置

图11 改善后浇口位置

图12 改善后内浇口、局部挤压位置示意图

表5 改进后零件破坏力测试数据（要求≥55 kN）

从以上20个样件测试结果所知，零件破坏力均合格，且远大于55 kN。改进工艺后本体金相组织采用UNC160 X射线进行无损探伤检测，结果见图13。铸件未发现明显的黑点、显微缩孔以及树枝状的暗区，支架内部品质良好，缩孔、气孔满足ASTM E115一级要求。图14和图15分别为A356.2合金的铸态及热处理组织。由图14可知，合金铸态组织由α-Al相和Al-Si共晶组成。对零件进行固溶时效强化处理，α-Al晶粒尺寸约为148 μm，二次枝晶间距约为20 μm见图15。挤压铸造铝合金的晶粒尺寸与二次枝晶间距均小于金属型重力铸造、低压铸造试样；经T6固溶时效处理后，共晶Si以粒状、球状形式分布在α-Al晶界，力学性能优越。

图13 X光检测结果

图14 A356.2 铸态组织

图15 T6处理后合金的金相组织

混动汽车悬置托臂和支架采用A356.2挤压铸造，内部金相组织更细化和致密。通过T6处理后，其力学性能接近锻造铝合金，轻量化性价比优势明显。新能源汽车底盘零件轻量化工艺途径可以考虑采用A356.2合金挤压铸造替代锻造铝合金和球墨铸铁件。

作者：

李先洲1 黄毅2 马剑2
1. 广汽传祺汽车有限公司；2. 广州金邦液态模锻技术有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》杂志社