原標題：擠壓鑄造高強度汽車鋁合金轉向節鑄件工藝

摘要：采用擠壓鑄造工藝開展了400 MPa級汽車轉向節鑄件的研制工作，通過Al-Si-Cu-Mg合金成分優化、擠壓鑄造工藝設計及優化、擠壓鑄造模具設計及制造、轉向節擠壓鑄造工藝試驗等工作，成功開發出高強度鋁合金轉向節鑄件。鑄件本體的抗拉強度，屈服強度，伸長率和布氏硬度（HB）分別達到454.6 MPa, 409.2 MPa，6.2%，137.2。

當前，隨著汽車輕量化的不斷深入，約占整車質量20%左右的汽車底盤零部件輕量化受到了極大的關注，采用高強度鋁合金材質替代傳統的鋼鐵材質是重要的發展方向。轉向節是汽車轉向系統中的重要功能零件，既承載一定的車體質量，又在汽車行駛過程中承受交變載荷和剎車時的力矩，是確保汽車安全行駛的重要安保零件之一。為了滿足強度上的需要，目前國內大多數轉向節的生產依然采用球鐵鑄造成形，無法滿足汽車進一步輕量化的需要。

擠壓鑄造工藝是鑄造和模鍛相結合的一種近凈成形工藝方法，適合生產高性能要求鋁合金鑄件。由于合金液是在沖頭較大機械壓力作用下充型并在壓力下凝固，鑄件力學性能得到顯著提升，性能可接近鍛件性能水平。目前，國內外針對汽車底盤鋁合金鑄件擠壓鑄造工藝開展了一定的研究工作，取得了一定的成果，但性能指標大部分處于300 MPa級，對于性能達到400MPa級的鑄件產品報道較少。本課題選用Al-Si-Cu-Mg合金材質試制轉向節鑄件，采用“間接擠壓鑄造”工藝，所開發的轉向節擠壓鑄件品質達到了設計單位的要求。

1、Al-Si-Cu-Mg合金成分優化

選用的Al-Si-Cu-Mg合金其化學成分范圍（質量分數）為：6.0%~6.6%的Si，3.5%~4.5%的Cu， 0.15%~0.30%的Mg，0.05%~0.30%的Ti，其余為Al。為了獲得較佳的合金力學性能，為轉向節鑄件本體性能達到設計要求奠定材料基礎，對該合金材料化學成分進行了優化。

圖1是Si含量分別在6.0%、6.2%、6.4%以及6.6%時合金的力學性能。可以看出，隨著Si含量提高，合金抗拉強度和伸長率都有不同程度的降低。該合金加入Si元素的目的是提高合金的流動性，但轉向節所采用的鑄造工藝為擠壓鑄造工藝，合金是在較大壓力下充型，對其充型能力的要求不高，因此，為了保證合金具有較高的力學性能，將Si含量取值設定為合金成分范圍的下限，即Si含量為6.0%。

圖1：不同Si含量對合金力學性能的影響（熱處理狀態T6處理）

圖2是Cu含量分別在3.7%、4.0%、4.2%以及4.5%時合金的力學性能。可以看出，隨著Cu含量提高，合金抗拉強度以及伸長率都有不同程度的增加。由于合金中Cu含量提高會增加合金的熱裂敏感性，而轉向節鑄件結構較為復雜，且采用擠壓鑄造工藝，如采用Cu含量較高的合金成分，極易出現熱裂缺陷，因此，將合金的Cu含量設定為成分范圍的下線，即Cu含量為3.7%。

圖2：不同Cu含量對合金力學性能的影響

圖3是Mg含量分別在0.15%、0.2%、0.25%以及0.3%時合金的力學性能。可以看出，隨著Mg含量提高，合金抗拉強度和伸長率都有不同程度的增加。由于Mg元素在合金熔煉過程中容易燒損，因此，為保證Mg元素符合該合金成分范圍，將合金的Mg含量設定為成分范圍的上線，即Mg含量為0.3%。

基于此，確定了試驗用合金的化學成分，即6.0%的Si，3.7%的Cu，0.30%的Mg，0.05%~0.30%的Ti，其余為Al。

圖3：不同Mg含量對合金力學性能的影響

2.轉向節鑄件擠壓鑄造工藝設計及優化

采用自主開發的8 000 kN級擠壓鑄造成形設備生產轉向節鑄件。結合鑄件結構特點和技術指標要求，開展了轉向節鑄件擠壓鑄造工藝設計及優化工作。圖4是轉向節鑄件間接擠壓鑄造工藝三維數模圖及模擬結果，采用垂直擠壓方式成形轉向節鑄件，并在鑄件中心位置添加局部擠壓，以解決遠離沖頭位置由于壓力損失而產生鑄造缺陷和力學性能偏低的問題。從模擬結果上看，鑄件缺陷均出現在加工余量位置以及集夾槽位置，鑄件本身未出現鑄造缺陷問題。

圖4：轉向節鑄件擠壓鑄造工藝

3.轉向節鑄件擠壓鑄造模具設計

間接擠壓鑄造工藝是目前主流的擠壓鑄造成形工藝，該工藝可實現合模成形、滿足結構復雜鑄件成形的需要，且尺寸精度高，可滿足近凈成形的要求。為了保證轉向節鑄件的尺寸精度，采用了間接擠壓鑄造成形工藝，并設計了轉向節擠壓鑄造成形模具（見圖5）。該模具的主要工作過程是：首先，臥式擠壓機動模板帶動動模運動，與定模閉合完成鎖模動作；之后，將金屬液澆入到壓室之中，臥式擠壓鑄造機擠壓缸帶動擠壓活塞向上運動，推動金屬液向上充型，當金屬液完成充型之后，保壓一段時間使金屬液在壓力下完成凝固，保壓結束后，動模帶動鑄件移動完成開模過程，當移動到一定距離之后觸碰到頂桿機構，完成轉向節鑄件脫模過程；最后，移出轉向節鑄件，向定模和動模型腔噴涂脫模機，完成整個工藝過程。

圖5：轉向節鑄件擠壓鑄造模具結構示意圖

4.轉向節鑄件試制結果與分析

4.1 擠壓力對鑄件內部質量的影響

圖6是擠壓力為60 MPa條件下，轉向節鑄件無損探傷檢測情況。可以看出，轉向節鑄件存在較為嚴重的縮孔、縮松缺陷，特別是厚壁位置，以及遠離擠壓沖頭和局部擠壓沖頭位置缺陷更加嚴重。分析認為，在擠壓鑄造加壓過程中，由于沖頭的加壓過程與鑄件凝固過程同時進行，鑄件薄壁位置凝固較快，會成為一個“支撐點”，從而阻礙沖頭對尚未凝固的厚大部位進一步擠壓，該部位得不到補縮而出現縮孔、縮松缺陷。另外，在間接擠壓鑄造過程中，由于已凝固的結晶硬殼與鑄型壁之間存在“摩擦力”，加之此硬殼的“支撐”作用，以及復雜結構對補縮液態金屬流的“阻礙”作用，使遠離沖頭和局部擠壓的鑄件部位實際上受到的擠壓壓力遠低于工藝設定的擠壓力，存在較大的“壓力損失”，導致鑄件一些部位生產較為嚴重的冶金缺陷問題。

為了解決上述問題，將擠壓力提高了1倍，即達到120 MPa，圖7是轉向節鑄件在擠壓力為120 MPa條件下無損探傷結果。可以看出，鑄件內部質量良好，未發現鑄造冶金缺陷問題。分析認為，擠壓力的增加克服了薄壁位置率先凝固而產生的“支撐阻礙”作用以及遠離沖頭而造成的“壓力損失”，達到了可消除鑄件冶金缺陷問題的“臨界擠壓值”，顯著提高了液態金屬的補縮能力，消除了鑄件產生的冶金缺陷。

圖6：擠壓比壓6 0MPa條件下轉向節鑄件X光探傷片

圖7：擠壓比壓為120 MPa條件下轉向節鑄件X光探傷片

4.2 擠壓力對鑄件本體力學性能的影響

對轉向節鑄件本體力學性能進行測試，圖8為本體力學試棒取樣位置，表1為鑄件各部位本體力學性能。從力學性能測試結果上看，鑄件各個位置力學性能相當，說明擠壓效果良好，壓力損失并不明顯。

圖8：轉向節鑄件本體力學性能檢測取樣示意圖

表1：轉向節鑄件不同位置力學性能平均值

從表1可以看出，鑄件本體力學性能有了較為顯著的提升，特別是伸長率提高較為明顯。主要原因是，隨著壓力的提升顯著提高了合金液的形核率，由于形核率與壓力呈正比關系，壓力的增加可顯著促進晶核的增殖，使晶粒變小，細化了鑄件晶粒組織。另外，擠壓力的增加可改善鑄件與模具之間的界面傳熱條件，熱阻顯著降低，提高合金液的凝固速率，減小鑄件一次枝晶間距和二次枝晶間距，鑄件晶粒組織得到明顯細化，從而使鑄件力學性能得到顯著提升。另外，擠壓力的存在可增加ɑ固溶體的數量以及細化硅質點，從而顯著提高合金的塑性性能。圖9為擠壓狀態和未擠壓狀態合金的顯微組織，可以看出，經過擠壓后鑄件顯微組織明顯細化。

圖9：轉向節鑄件本體力學性能檢測取樣示意圖

5.結論

（1）利用自主開發的8 000 kN擠壓鑄造成形設備成功開發出轉向節鑄件，經過無損探傷檢測，鑄件冶金質量良好，無縮孔、縮松、裂紋等缺陷，滿足了設計單位提出的技術指標要求。

（2）擠壓力為60 MPa時，由于擠壓力較小，未達到可消除鑄件鑄造缺陷的“臨界擠壓值”，由于先凝固位置的“支撐作用”和遠離擠壓源的“壓力損失”，造成鑄件補縮不暢，厚大熱節部位和遠離沖頭和局部擠壓的位置出現了較為明顯的鑄造缺陷問題。

（3）當擠壓比壓增加到120 MPa時，擠壓力達到了鑄件“臨界擠壓值”，消除了鑄件冶金缺陷，在此條件下，鑄件的抗拉強度，屈服強度，伸長率和布氏硬度（HB）分別達到454.6 MPa, 409.2 MPa， 6.2%， 137.2。

（4）擠壓比壓的增加可顯著提高合金液的形核率，減小鑄件一次枝晶間距和二次枝晶間距，鑄件晶粒組織得到明顯細化，擠壓鑄造鋁合金控制臂鑄件力學性能得到顯著提高。

作者：
李宇飛 馮志軍 李澤華 阮明 蘇鑫
沈陽鑄造研究所有限公司高端裝備輕合金鑄造技術國家重點實驗室

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2019年第39卷第12期