新型真空高压铸铝车身结构件的材料研发

随着人们对环保和乘用车轻量化需求的日益 增长，传统车身结构件的弊端也日益显现。传统的车身结构件，一般是用结构钢板，冲压成型后进行焊接，或使用紧固件连接。这样的结构重量大，连接点多，需要多道工序才能获得复杂的车身结构。

  如改用轻合金薄壁大型铸件，一方面可取得显 著的减重效果;另一方面，由于只使用一个零件即可获得复杂的结构，从而减少了成型和连接环节。

  据此，为某高级轿车设计开发的新型零件 “Shock Tower”，就是以减重为主要目标，并将复杂的结构通过铸造一体成型的全新设计。Shock Tower 又可称为前轮罩，它是连接车身和底盘的重要结构件。其形状三维均约500 mm， 绝大部分部位壁厚仅约 3 mm。


Shock Tower 除了强度要求外(抗拉≥180 MPa， 屈服≥120 MPa)，也涉及到多种连接技术，特别是一些铆钉的连接，要求材料具备至少10% 的断后伸长率，否则将产生不可接受的开裂。

  1 选材策略

  1．1 汽车行业常见铸铝工艺的分析

  目前汽车行业常用的铸铝件，主要是通过高、 低压铸造获得的，传统的重力浇注反而不多。

  对于 Shock Tower 这样形状复杂的大型薄壁 件，如果采用重力或低压铸造，因为充型速度有 限，铝汤将在金属模的快速冷却下，在充型完成前即大量凝固，从而造成浇不足或冷隔等缺陷。

  高压铸铝件(以下简称“压铸件”)，是将铝汤 在大吨位的压机推动下完成充型，然后在金属模 中快速凝固，以获得细小的晶粒和较高的强硬度。 其特点是成型好、凝固快、工作效率高、强硬度高， 但普遍缺点就是脆性大，一般断后伸长率都低于 3%。

  使用凝固潜热高的铝硅合金高压铸造 Shock Tower，可以给铝汤提供足够的充型速度和凝固时 间以保证充型。但 10% 的断后伸长率要求，对于 压铸件而言是前所未有的挑战。一般铝硅合金可 通过变质和热处理来改善共晶硅相(以下简称“硅 相”)，使针片状的硅相圆润，来提高塑性。但对于 压铸件，还存在以下两个问题。

  金属模薄壁件凝固速度快，会影响变质效果; 压铸件在充型时，铝汤会裹入大量气体，除产生气 孔外，还会在后期热处理时发生铸件近表面气泡鼓起问题，这是因为铸件凝固后再 进行热处理，气孔将因高温而膨胀，合金也因高温 而软化。而此时已没有凝固时的金属模具阻挡，于是容易在铸件表面形成鼓包。严重的鼓包，除 影响外观外，也将在受载时成为应力集中点，可能 导致裂纹从鼓包处起源。所以传统压铸件一般不 进行热处理操作。


  1．2 突破传统的真空高压铸铝

  将压铸模具抽为真空，就可以显著减少充型 时裹入的气体。这样在凝固成型后再对零件进行 固溶和人工时效热处理，可不发生鼓包问题。而此时因为硅相经热处理后颗粒更圆润，从而可以显著提高材料塑性，达到断后伸长率设计指标。

  这样的真空高压铸造件，除保留了压铸件固 有的优点外，还可以适用铆接、焊接(同样因裹入 气体会造成焊接气孔和鼓包)等更灵活的连接方式，用于要求高塑性、韧性等多种受载场合，是对压铸工艺具有历史意义的革新。

  华中科技大学的材料成形与模具技术国家重 点实验室也成功地使用铝镁合金 ZL101-T6 完成了真空压铸件的试制。其后研发的某轿车底盘件，断后伸长率可达7.3%，是国内非常成功的范例。但需大批量生产 10% 以上的真空压铸件，在国内尚鲜有先例。

  2 成分设计

  2．1 传统压铸件的成分特点

  为保障充型能力、抗热裂和减少缩孔，传统压 铸件一般选用高硅的铝合金。同时为进一步提高强度，铜和镁元素也是经常添加的。

  镁元素与硅形成的Mg2Si硬质相，需通过适当 的热处理，才能起到良好的强化作用。而Al2Cu硬质相，即使不进行热处理也能起到显著的强化作用。所以传统压铸件更多倾向于添加铜元素。

  压铸件为减少粘模，铁含量一般较高。但铁 元素在铝合金中易形成针状脆性相， 也是导致压铸件脆性高的原因之一。

  变质剂对硅相的变质效果由于压铸件凝固速度快，会减弱变质作用。加上传统压铸件对塑性要求低，所以一般都不添加锶等变质剂。

  2．2 真空压铸件改良元素的添加

  由于 Shock Tower 对塑性要求高，其成分设计 应不同于传统的压铸件。虽然为确保铸造性能， 保持了以硅元素为主(硅含量取 8% ～12%，在真空压铸条件下此含量的铸造性能和强度都较好 )，但进行了以下改良创新:

  (1)铜元素降低了塑性，改为以镁元素为主要强化元素，通过热处理获得所需机械性能。

  (2)通过添加锶元素，对硅相形态进行先期的改善。

  (3)通过添加较多含量的锰元素，以减少含铁 脆性相对机械性能的影响。

  综上所述，最终制定的铝合金牌号为:AL－C－D－Si10MnMg。具体成分指标因涉及公司技术机密，在此不予公开。

  3 热处理制度

  虽然从成分设计上进行了变质处理，但还是需要对Shock Tower进行热处理，才能进一步提高性能，特别是材料塑性，以达到断后伸长率设计指标。

  3．1 铸造铝合金一般热处理方法

  铸造铝合金的热处理，是通过固溶和时效等 过程来改变铸件的金相组织，控制强化相的形态、 大小、分布和数量，以获得期望的材料性能的方法。按美国金属手册的定义，主要热处理制度有:

  T4:固溶热处理后，没有经受冷加工，通过室 温时效使其机械性能稳定化。一般强度较低。

  T5:从高温成型工艺冷却后，比如铸造或挤压 后，没有经受冷加工，通过人工时效(沉淀热处理)，而得到改善的机械性能和尺寸稳定性，能获得较高的强度。特别是没有经过固溶处理，节约 了能源、时间，并减少了淬火时的变形和残余应力。

  T6:固溶热处理后，没有经受冷加工，通过人工时效(沉淀热处理)，而得到改善的机械性能和尺寸稳定性，往往是为了获得最高的强度。

  T7:固溶热处理后，通过人工时效(沉淀热处理)达到过时效的程度。稳定化热处理虽然会使 强度下降，但可提高塑性、尺寸稳定性和抗应力腐蚀的能力。

  3．2 Shock Tower 热处理制度的确立

  对于 Shock Tower，首先最多的强化相是共晶 硅相。铸造态(以下简称为“F”态)组织中的共晶 硅变质效果如因快速凝固而不够理想，应通过适 当的热处理，将共晶硅颗粒化、圆润化。这样降低了尖锐组织的应力集中，可起到提高塑性和强度的作用。

  其次，对于铝镁硅合金，无论是铸铝合金还是 用于塑性变形加工的变形铝合金，Mg2Si 也是其主 要的强化相。未经热处理的 Mg2Si往往较集结，呈粗大的骨骼状。这样的 Mg2Si 起到的作用更接近于脆性的夹杂物，很难对机械 性能有好的贡献。经过合适的热处理，可以使 Mg2Si 在铝基体中均匀弥散地分布，且颗粒细小， 一般用金相显微镜很难观察到。这样的组织可强化基体，提高材料机械性能。

  Shock Tower 有一定的强度要求，且塑性要求非常高。先期的试验发现T4强度太低，而T6塑性不能达标。且对于这样的大型薄壁零件，如果进行固溶处理，零件变形将非常严重。T7 虽然要固溶，但强度和塑性都能满足设计。与不用固溶处理的 F 和 T5 状态相比，强度要求都能满足，但断后伸长率仅 T7 状态的才能稳定达标。通过金相组织可以看到，经变质处理的真空压铸件，再进行 T7 热处理，已很难找到针片状的共晶硅相。虽然共晶硅相的长大会造成强度的下降，但圆润的形态将显著提高材料塑性变形能力。

  最终 Shock Tower 选择的热处理制度是 T7，并通过特殊的固溶淬火工艺和特制零件夹具系统， 解决了大型薄壁件在热处理过程中的变形问题。 具体工艺参数细节因涉及公司技术机密，在此不予公开。

  4 零件试制验证

  通过 CAE 等手段进行了模具设计，最终完成 了实际铸件。

  经 T7 热处理后的 Shock Tower 样件，除成分 和静拉伸性能均符合设计指标外，零件表面也进 行了目视检测，未发现鼓包缺陷。对设计要求区 域进行了 X-ＲAY 内部缺陷检测，也均满足 ASTM E505 - level 1 级水平，即为 3#区域的 X - ＲAY 检测照片。至此，真空高压铸铝件 Shock Tower 的材料研发工作基本完成。

  5 结语

  本文根据新型车身结构件 Shock Tower 在减 重和机械性能等方面的设计要求，选用突破传统的真空高压铸铝工艺，并进行了相应的成分设计和热处理制定，成功完成了满足零件设计要求的高塑性压铸铝材料研发。

  本项目的研发成功，不仅是对传统压铸工艺 的一次重大突破。对于乘用车轻量化结构设计， 使用轻金属铸件代替传统钢架结构，也给予了很有价值的借鉴。