原标题：重力倾转铸造工艺在铝合金底盘结构件上的应用
摘要：介绍了采用重力倾转铸造工艺开发生产的铝合金底盘结构件。该底盘结构件为某欧系豪华品牌底盘副车架支架，材质选用ALSi7Mg0.3，重量约3kg，尺寸范围330mm×260mm×250mm，最小壁厚为5mm，最大壁厚达36mm，产品整体结构呈现“L”形状。通过采用重力倾转铸造工艺、加氢精炼处理、T6热处理等工艺，实现了产品性能满足屈服强度Rp0.2≥190MPa，抗拉强度Rm≥230MPa，伸长率A50mm≥3%，硬度HBW80～110的要求。
随着汽车行业对轻量化的需求越来越大，底盘结构件材质逐步由传统黑色金属转为有色金属，并大量应用于转向节、车轮支架、控制臂、副车架等产品。其中铝合金相比于传统钢铁材料，具有密度小、质量轻、铸造加工性能优良、耐腐蚀性能好、易回收再利用、在发生碰撞时会比钢铁材料吸收更多的碰撞能量等优点，从而大量应用在底盘结构件上。底盘结构件主要起到受力和承载作用，并与多个零部件进行连接装配，属于汽车安全件。这类产品通常呈现出结构复杂、成形困难、力学性能要求严等特点，对制造工艺要求很高。当前行业多采用低压铸造、差压铸造、挤压铸造生产底盘结构件。本产品通过采用重力倾转铸造工艺，附加特殊的二次精炼处理，以满足副车架支架产品性能，达到目标成品率，实现稳定批量生产的要求。
1、产品介绍及性能指标
本底盘结构件为不完全对称的左右件，是某欧系豪华品牌底盘副车架支架产品，属于安全件。产品重量约3kg/件，尺寸规格330mm×260mm×250mm，最小壁厚为5mm，最大壁厚达36mm，产品整体呈现四周厚大、中心薄壁的特殊结构。通过采用重力倾注铸造工艺开发，成品率可达90%以上，全年实现30万件生产能力。副车架支架实物如图1所示。
副车架支架材质选用AlSi7Mg0.3，该合金具有流动性好、无热裂倾向、线收缩小、气密性好等优点，合金成分如表1所示。
表1AlSi7Mg0.3铝合金主要化学成分wB/%
1.1内部质量要求
副车架支架在生产过程中要求100%进行在线X光探伤，对内部缩松、气孔等缺陷进行判定。产品分为受力区域、功能区域和一般区域，不同区域的判定标准不同。对受力区域、功能区域要求单个缺陷直径≤1mm，孔隙率≤5%，对一般区域要求单个缺陷直径≤3mm，孔隙率≤5%。
1.2表面质量要求
副车架支架要进行100%外观检测，通过无损荧光渗透及人工裸眼检查方式对铸件表面的气孔、裂缝、热裂等缺陷进行判定。判定标准也按照受力区域、功能区域和一般区域划分。依据DINEN1371标准，对于受力区域，要求检测到的缺陷满足SP1/CP1等级（SP代表非线性的独立缺陷，CP代表非线性的聚集缺陷）。对于功能区域、一般区域，要求检测到的缺陷满足SP2/CP2/AP2等级（AP代表排列成行的缺陷），缺陷最大深度可为0.5mm，但不允许存在热裂纹、热撕裂和杂质嵌入物。
1.3力学性能要求
因为副车架支架服役的工况没有转向节、副车架恶劣，所以力学性能与转向节、副车架相比较低。采用铸件本体取样进行检测，取样位置选择在受力区域，具体标准为屈服强度Rp0.2≥190MPa，抗拉强度Rm≥230MPa，伸长率A50mm≥3%，硬度HBW80～110。
2、工艺设计
副车架支架生产的工艺流程为：铝液熔炼-铝液二次精炼-重力倾转铸造-切边、去除浇道冒口-在线X光探伤-T6热处理-校正-裂纹检测-加工-清洗-装配-打包。
2.1铝液精炼及加氢处理
铝合金铸件从浇注温度冷却到室温的凝固过程中都会产生收缩倾向，而收缩的方式由合金的成分、气体含量和冷却时的传热条件所决定，凝固过程中铸件内部气体的逸出也常常影响缩孔的产生。在一些铸件生产中，为防止出现局部缩孔缺陷，在铸造前有意向熔融金属液中引入气体，如汽车排气歧管、车轮等产品已有批量应用。
根据行业研究结果，在补缩条件较差的铝合金铸件中，为了防止较大缩孔的形成，取而代之形成均匀弥散的气孔，可以向合金中引入一定量的氢气，加入量取决于具体合金的成分，并与该合金的液相线温度有关。氢是液态铝中最易溶解的气体，且溶解度很大，并随着温度的升高而增大。氢在铝液相及固相中的溶解度分别为0.65cm3/100gAl和0.034cm3/100gAl，即氢在液固两相中的溶解度相差19倍，但氢几乎不溶于固态铝。
在铝合金中加入氢气之所以能够降低缩孔缺陷，从微观角度看，主要原因是当液体合金进入金属型模具开始凝固时，因模具对合金的快速激冷而产生的体收缩，在无补缩通道及合金中含气量特别低时，孤立的液体在收缩产生的流体静张力的主要影响下出现单一生核，并在随后的收缩中形成大孔洞。但如果在凝固的后阶段增加液体静张力或含气量，则生核可以在多处进行，但这取决于核心所占据的核心位置和金属中初始含气量。初始的单一孔洞和经生核而后长大的孔洞相比，具有生产优越性，所以，在合金含气量较低时，铸件中将形成一个较大缩孔。但是，当合金中初始含气量进一步增加时，在收缩和气体析出的共同作用下，多核形成倾向增加，导致大的缩孔减少，取而代之形成大量的小气孔，且在某一临界含气量下，铸件会只出现多核现象，即大缩孔消失，全部为均匀的小气孔。
通过向熔融金属液中加入氢气，较大的缩松（缩孔或孔洞）消失，而被均匀弥散分布的气孔所代替，如图2所示，满足副车架支架内部质量要求。
图2加氢后形成均匀分布的气孔
2.2铸造工艺设计
采用重力倾转浇注方式可以有效减小铝液进入模具型腔后的落差，减少铝液飞溅时产生的氧化夹渣，同时可以避免出现裹气现象（图3）。该生产工艺在国际上是成熟先进的浇注工艺，已在铝合金气缸盖等产品大批量应用。生产过程中辅助稳定可靠的自动化控制系统，大幅提高铸件质量、减少工人劳动量。该副车架支架为不完全对称的左右件，铸造模具采用一模两件形式，对称布置在模具型腔中，左右件居中设计成竖直主浇道，主浇道末端分出左右次浇道，分别对左右件进行独立充型。因产品结构呈现中心薄壁、四周厚大的形式，对厚大部位分别设置冒口进行补缩，减少缩松倾向。采用MAGMA软件进行充型、温度、缩松缺陷等模拟优化，最终工艺出品率为37.5%（产品重量除以铸件、浇道、冒口等总重量）。
图3重力倾转铸造过程
浇注前先对模具采用天然气预热，模具温度达到220～260℃时进行涂料喷涂。涂料种类有4种，包括底层涂料、型腔保温涂料、浇道冒口保温涂料、润滑涂料。底层涂料目的是使模具具有更好的粘附性，提高型腔保温涂层的使用寿命。底层涂料喷涂后，使用喷壶对铸件成形部位喷涂型腔保温涂料，型腔保温涂料颗粒细小，满足铸件表面光洁度要求。在模具浇道、冒口位置涂上另一种保温涂料，使用刷子人工刷涂，涂料厚度可以较厚以加大保温性，提高补缩能力实现顺序凝固。最后对模具的分型面、滑道部位喷涂润滑涂料。采用多种涂料共同配合使用，确保铸件质量合格。
清理单元内的机器人抓取冷却后铸件送至冷却水槽内进行冷却，冷却至常温后，由机器人抓取铸件送至带切边机去冒口、锯机去除浇道，然后在铸件上打印二维码和明码数字，从而实现对铸件的身份定义，浇注工艺信息上传至IT服务器，保证产品具备可追溯性。整个浇注清理过程中操作者只需对模具进行手工喷涂和清理，其他所有动作均由设备根据程序设定自行控制完成，大幅减少了操作者劳动强度。
2.3热处理工艺
副车架支架采用T6热处理工艺，热处理炉为通过式热处理炉，在固溶处理后进行淬火处理，淬火介质为水，淬火后待铸件冷却后进行人工校正，先将铸件放置在尺寸检测仪上进行尺寸检测，测量铸件变形量，根据检测结果对铸件变形位置进行校正，校正后的铸件再次进行尺寸检测，确认合格后，送入时效炉进行时效处理。热处理工艺如表2所示。
表2T6热处理工艺
热处理料框需进行特殊设计，对铸件易变形位置进行定位和支撑，防止铸件在高温处理过程中变形，同时要保证铸件在热处理过程中受热均匀、便于操作者上下料，定位工装如图4所示。时效后进行力学性能检测，热处理不合格的铸件最多允许重复进行3次热处理。热处理、校正全过程需对铸件扫描追溯，储存工艺信息。
图4热处理定位工装
3、铸件性能分析
3.1X光探伤结果
采用在线X光探伤机，设定多个探测角度，覆盖到铸件全部位置，通过合理设计浇注系统、冷却水路、模具温度，以及优化涂料喷涂工艺，铸件受力区域、功能区域和一般区域内部质量合格，满足产品要求。
3.2金相检测及孔隙率
铸件本体取样，图5为在金相显微镜下观察的金相组织，可以看到α-Al枝晶大小均匀，共晶硅中细小颗粒状，组织变质及热处理正常，个别视场有较小的圆形第二相，有条状、块片状等不规则形态的第二相，均匀分散分布。
图5金相组织
因采用加氢处理工艺，铸件内部分布细小氢孔，通过金相显微镜判定气孔分布状态，结果表明气孔分布均匀，满足单个孔径缺陷及孔隙率要求，如图6所示。
图6气孔分布状态
3.3力学性能
力学试样从铸件本体取样，每个铸件取2根力学试棒。使用ZwickZ100电子万能材料试验机进行检测，试验条件参照GB/T228A224，弹性模量测量速度0.00025/s，屈服点及屈服范围速度0.00025/s，试验速度0.0067/s，室温（23±5）℃。试样标准参照DIN50125-A5×25（图7）。硬度检测样品和拉伸试棒取自同一铸件，试验条件参照GB/T231.1—2009。经T6热处理后，副车架力学性能能够满足产品要求，检测结果如表3所示。
图7拉伸试样示意图
表3力学试样检测结果
3.4功能试验
加工后的副车架支架进行螺栓装配，与副车架及周边伴随件组成副车架总成，进行台架试验。台架试验包括发动机轴承试验、稳定器连接试验、纵向受力试验、横向受力试验以及螺栓连接试验。经过额定载荷及试验轮次，副车架支架未发现断裂、局部裂纹等缺陷，通过试验认可。副车架支架进行整车碰撞试验和典型工况试验，满足实验要求，产品性能合格。
4、结束语
（1）副车架支架为底盘安全件，产品结构复杂，铸造成形困难，对内部质量、力学性能要求严格，采用金属型重力倾转铸造工艺及T6热处理完成产品开发，铸件质量、尺寸精度和力学性能均满足要求，成品率达90%以上。
（2）采用国内外先进工装装备，实现关键工序自动化控制，所有工序均可实现工艺参数记录与上传，满足底盘安全件信息追溯要求，质量保证能力达到国际领先水平，已累计向客户交付80余万件。