原标题:基于AlSi10MnMg电池罩盖工艺研究
摘要:以新能源汽车AlSi10MnMg压铸铝合金电池罩盖为研究对象，通过数值模拟分析，预测充型过程中的卷气缺陷，优化设计压铸模具排溢系统。通过热处理试验，确定该产品人工时效工艺参数。试验证明，数值模拟能有效的控制卷气，经过190℃x2h的人工时效，电池罩盖满足抗拉强度300MPa，屈服强度210MPa，伸长率5%的力学性能要求。
1、产品结构
图1为新能源汽车电池罩盖的外形，材质为AlSi10MnMg，该产品平均壁厚为3mm，外形轮廓尺寸为152mm×142mm×22mm，铸件投影面积为142cm2，质量为0.22kg。该产品装配于电池上盖，外表面装配多个传感器和螺栓，产品功能上需要保护内部电池组，防止液体泄漏，同时需要承受一定的外部冲击和以及抵抗长期的疲劳振动。内控要求抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于210MPa，伸长率大于5%，加工表面不能有大于1mm的气缩孔，密封测试条件为10kPa条件下泄漏率小于8mL/min。该合金铸态抗拉强度为240MPa,屈服强度为140MPa，伸长率为5%，无法满足需求，因此从原材料成分、模具设计及人工时效几个方面对其进行改善。
图1新能源电池罩盖
2、化学成分分析
AlSi10MnMg基于Silafont-36，依据DINEN1706标准规定，化学成分见表1。Si含量略低于AlSi共晶合金，具有较好的流动性。而Fe含量低，使Al-Fe-Si相的针板块状得以消除，压铸件在受力状态下不易产生裂纹。一定的Mn含量可以减弱Fe的危害，防止压铸时合金的粘模现象，而在组织上呈现球状相。
表1AlSi10MnMg的化学成分wb/%
Fe是压铸铝合金中一种有害元素，其以FeAl3和Al-Si-Fe的片状或者针状组织存在，降低合金的力学性能，Fe含量要低于0.15%，Mn元素可以与Fe形成化合物，进一步消除铁有害因素，同时Mn可以提高产品球状结晶组织含量，将Mn含量保持为0.50%~0.80%。
适当增加Ti能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的力学性能，降低合金热裂纹倾向，故将Ti含量控制为0.06%~0.10%之间。由此，调整后压铸铝合金的成分见表2。
表2试验材料成分AlSi10MnMgwb/%
3、模具设计与数值模拟
图2为该电池罩盖浇注系统基本结构，总投影面积为290c㎡,浇注总质量为0.78kg，选用UB350ic压铸机，该设备锁模力为3500kN。设计模具每模1件，压室直径为?60mm，料缸充满度35%。模具有五个分支浇道，其中左侧分支浇道制造伴随铸件的试片2，并通过阻断器8控制是否需要制造试片。根据该产品要求，铸件内左下侧“眼镜孔”区域、右下侧“矩形方框”区域、浇注末端“圆孔”区域安装传感器等零部件，这3个部位是通孔，并且该区域加工后所有加工表面气孔应小于0.6mm。铸件4个分支浇道呈梳状结构，内浇口长度为75mm，浇口厚度为2.0mm，为凝固模数的2/3，总浇口截面积为150m㎡，计算可得平均流速为40m/s左右。压铸模采用FS438压铸热作模具钢，其具有良好的淬透性、韧性、热强性、热疲劳性能，热处理变形小等。冷却介质为水，局部采用10kg/c㎡的可编程间断高压点冷却，自然排气，通过模拟分析确定渣包位置以及排气波板的设计。
图2电池罩盖浇注系统
1.电池罩盖2.试片3.料柄4.直浇道5.横浇道6.分支浇道7.试片渣包腔8.阻断器
借助ANYCASTIN6.0软件进行模拟分析，主要可进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟分析。模拟分析对象为铸件与压铸模具，划分1560万个网格，根据薄壁件高速填充特点，设定初始边界条件为熔体温度680℃，模具温度为185℃，冲头充型速度为3.5m/s，模具与铸件传热系数为2000W/(㎡.K)，模具间传热系数为1000W/(㎡.K)。
模拟分析结果见图3。合金液在压射冲头推动下以较低速速到达内浇口，中间两浇口的铝液首先被填充。由图3a可知，第0.015s开始高速压射，浇口平均速度为42m/s左右，铝液冲击模具和型芯，以紊流状态填充型腔。从图3b可见，第0.0175s到达“眼镜孔”区域，在模具上该部位为研合模具型芯，铝液将冲击型芯产生涡流卷气。为确保该重要部位质量，将眼镜孔通孔设计变更为2mm厚的盲孔，即模具在该部位的研合优化为2mm的间隙，卷气状况明显改善，增加的2mm材料在后序加工切除。从图3c可见，在填充0.021s左右两股铝液分别到达圆孔和矩形孔末端，通过模拟发现，浇道对侧圆孔末端与矩形孔末端均有明显卷气情况发生,，故分别设计渣包于圆孔和矩形孔内，渣包入料口为模拟铝液交汇处；第0.024s填充至铸件末端，流向铸件周边渣包,见图3d。经多次模拟分析，在铸件填充末端分别设置8个渣包，铸件生产后经X光显示，周边渣包内含有较多气缩孔与氧化夹渣。
图3电池罩盖填充卷气模拟
图4为填充0.277s时的速度云图。“π”型排气波板是将一个传统的排气波板中间隔离，同时保留末端连通，一般左右两边隔离长度为4~5个牙扣，该结构既可以保证左右两侧气体排出互不干扰，同时缩小空间，节省加工制造成本。从图4可以看出，该时刻左侧铝液达到第一牙扣，右侧即将抵达第一牙扣，使用粒子跟踪技术测量左侧前端速度为12m/s，右侧为13m/s，由于波板平均间隙为0.7mm，两股铝液经过第一牙扣后速度迅速下降，到第二牙扣几乎停止运动，铝液最终停止的位置与铝液粘度、模具温度以及铸造压力等有关，设计左右两侧分别独立4个牙扣，在第5~8个牙扣连通，实践证明“π”型排气波板设计合理，生产过程使用可靠。
图4填充0.277秒速度矢量
依据模拟分析结果，使用UB350iC压铸机生产该零件，压射冲头尺寸为?60mm，实测冲头与料缸间隙为0.07mm，为适应薄壁件充型，保温炉设定合金液温度为680℃，实际模具温度控制在180~200℃之间，铸造压力为80MPa，一级压射速度为0.2m/s，二级速度为3.5m/s，铸件见图5。使用XG-160ST/SX射线实时成像机检查零件内部质量，可以看到铸件整体轮廓清晰，见图6，眼镜孔、方形孔及圆孔周边重要功能区域无可见气孔、氧化夹渣等质量缺陷，浇注末端质量良好，周圈密封环形槽满足设计要求。同时，随件试片轮廓清晰，无可见气孔等缺陷，见图7。使用WDW-50电子万能试验机测量随件试片力学性能，其抗拉强度平均值为260MPa，屈服强度值为170MPa，伸长率为6%，性能不能满足设计要求。
在产品3个重要区域取切片抛光并在10%烧碱溶液中腐蚀，使用AX10蔡司金相显微镜进行组织观察，见图8，白亮α铝多数为块状或枝状，晶粒尺寸较为粗大，个别尺寸大于80um,细小暗黑色Al-Si合金分布于α铝周边，较为均匀，但仍可见细小气缩孔，孔隙率为3.5%。取圆孔内渣包进行金相检验，见图9，发现有多个呈圆形黑色气孔空洞，且周边存在密集分布细小孔洞，经图像识别测量，渣包内孔隙率为大于9%，说明该处渣包实现集气及排渣的功能，气体是在铝液流动前端被高速卷入渣包，在高压下被压缩为孔洞。该现象与模拟分析结果基本一致，说明模具渣包设计较为合理。
4、热处理工艺效果
铝合金铸件热处理目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。铝合金的时效硬化不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等，目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。AlSi10MnMg薄壁压铸零件在T5及T6的适当工艺参数，都能得到较好的性能要求。由于固溶热处理工艺较为复杂，并且较高的温度容易导致薄壁压铸件变形超差，且薄壁该零件可以在2h可以得到均匀的溶解，因此以温度为变量采用人工时效处理。
使用WDW-50E万能拉伸试验机在室温条件下进行拉伸测试，拉伸测试过程依据国标GB/T228.1-2010，见图10，伸长率由卡尺测量拉伸前后数值计算获得，每组3件，测试结果见表3。
图10不同时效温度下拉伸试片
表3人工时效参数与力学性能表
从表3可以看出，经过人工时效热处理，屈服极限和抗拉强度相对于原始铸态有不同程度提升，其中190℃x2h时，分别为306MPa和222MPa，而后当温度增加强度略有降低；同时，经过T5热处理，伸长率先下降然后上升，其中190℃x2h的伸长率为5.4%，但都小于压铸毛坯状态的。
5、结论
基于AlSi10MnMg压铸合金材料,针对新能源汽车电池罩盖力学性能要求，提出解决该问题的一般方法，即合理选择合金成分含量、优化设计压铸模具、正确配置人工时效方案。结果表明，合金成分中Mg的含量为0.2%~0.4%，根据零件结构特性优化排溢系统，人工时效选择190℃以及2h，其性能能满足要求。