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1擠壓鑄造工藝設計及優化

1.1副車架結構特點如圖1所示，副車架外形尺寸為940mm×560mm×230mm，結構上左右對稱，兩端結構復雜，中間段結構相對簡單。鑄件正面有較多的半封閉內腔結構。鑄17件壁薄（平均壁厚約10mm），壁厚差大，最薄壁厚6mm，兩側安裝孔位置壁厚達到40mm。鑄件體積約5.6×10-3m3，總重約15kg。

1.2澆注系統設計澆道是合金液從沖頭壓室進入型腔的通道，澆注系統的設計，應該使金屬液以一定的速度，平穩而順序的充滿型腔。澆注系統與金屬液在型腔的流動，擠壓力的傳遞，凝固過程的熱平衡等密切相關。澆注系統設計的好壞直接影響到鑄件的成形質量[10-11]。沖頭壓室的直徑根據實際的擠壓壓力，金屬液的容量等信息確定，副車架擠壓鑄造試制過程中沖頭壓室直徑為Φ170mm。內澆道直接與型腔相連，其位置、形狀和大小決定了進入型腔的金屬液的流速和流向，影響產品的成形質量。由于副車架產品結構復雜，尺寸較大，設置多個內澆道有利于金屬液的充型，并減少澆不足、冷隔等風險。副車架是一個左右對稱的產品，因此內澆道在布置的時候也設計為左右對稱。內澆道的位置位于鑄件側壁的邊緣，方便澆注系統的去除。具體的澆注系統如圖2所示，左右各布置10個內澆道，各澆道橫截面積如表1所示，總面積為5778mm2。基于上述的澆注系統，清華大學使用其提出的熱-力耦合模擬方法對鑄件的凝固過程進行了計算，在模擬中考慮了熱收縮和相變收縮，界面傳熱與變形之間的相互作用，以及材料凝固和受力狀態下的力學行為，模擬結果如圖3、圖4所示。圖3清晰的表示了擠壓鑄造凝固過程中沖頭的位移。圖4描述的是鑄件凝固過程中液相的變化，其中深灰色的部分表示未凝固的部分。鑄件中間部分由于結構較簡單，壁厚較薄，凝固較快，而兩側結構相對復雜，凝固較慢。當t=17.5s時，鑄件的大部分已經凝固，但是仍然有較多的孤立熔池，這些最后凝固的部分往往因為得不到有效地補縮而容易產生收縮缺陷。為了減少縮孔縮松缺陷，根據模擬結果對擠壓鑄造工藝過程進行了優化，增大1#和7#內澆道的橫截面積（根據對稱性，鑄件右側的相應位置的內澆道橫截面積也增加），有利于擠壓力的傳遞，同時在A、C、B、D四個位置實施局部加壓，具體的做法是在金屬液充滿型腔但未完全凝固的時候，位于A、C、B、D四個位置的二次擠壓沖頭啟動，實施局部多點擠壓，局部加壓的比壓約為250MPa，在壓射終了延時3～5s后啟動。使得該位置的金屬液能夠保持在較高的壓力下凝固，從而減少收縮缺陷。

1.3擠壓鑄造副車架的研制擠壓鑄造副車架產品的工藝流程為：合金熔煉—精煉除氣—擠壓鑄造—T6熱處理—機械加工—性能檢測—表面處理。合金為A356鋁合金，合金成分見表2。熔煉過程中使用N2精煉，同時加入一定量Al-Ti-B和Al-Sr分別用于細化晶粒和改善共晶硅的形貌。由于產品尺寸大、結構復雜，副車架的試制在SCV-2500型立式擠壓鑄造機上完成，該設備提供2500t的鎖模力。擠壓鑄造過程中澆注溫度約700℃，模溫機設定的模具溫度為250℃，沖頭主壓射比壓約97MPa，保壓時間20s，在充型過程中，沖頭移動的速度為0.1m/min，充型末期，沖頭移動速度可達到0.2m/min。局部加壓的比壓約250MPa，在壓射終了延時3～5s后啟動。對擠壓鑄造件做X光檢測，觀測位置如圖5所示，由于結構的對稱性，圖中只在鑄件的左半部分標注觀測位置1-6。X光檢測結果如圖6-圖9所示，從圖6和圖7可以看出，在初始工藝條件下，鑄件在觀測位置1，2，4，5，6都有不同程度的縮孔縮松缺陷，而這些區域正是模擬計算中對應的最后凝固的部位（如圖3所示）。具體來看，參考GB/T9438－2013，鑄件的縮孔縮松按照缺陷的等效圓直徑可分為8級，1級最輕，8級最嚴重。關鍵區域位置1有不明顯的2級縮孔，位置3無缺陷，位置4有3級縮孔，而對于一般區域，位置2存在3級縮孔，位置5存在3級縮孔，位置6存在4級縮孔。工藝優化后，由于擴大了位置1和位置6附近的內澆道截面積，有利于擠壓力的傳遞，同時在位置4和位置6局部加壓，使得該區域的金屬液能保持在較高的壓力下凝固，從X光檢測結果來看，工藝優化后，位置4存在遠離安裝孔的1級縮孔，位置2存在1級縮孔，其他位置沒有缺陷。優化工藝顯著減少了副車架的縮孔縮松缺陷。

1.4擠壓鑄造副車架產品圖10為工藝優化后的擠壓鑄造副車架產品，可以看出，鑄件成形質量好，鑄件正面的半封閉腔狀結構以及其他筋板結構成形完整，沒有出現冷隔，澆不足等鑄造缺陷。表面光潔度高，除了一些必要的安裝孔位置外，并不需要額外的機加工工序。

2組織觀察與力學性能分析

將鑄件做整體熱處理，熱處理工藝為T6，具體的工藝參數為固溶溫度535℃，固溶時間4h，時效溫度155℃，時效時間5h。按照圖5所示的方案對副車架本體進行取樣以分析其微觀組織特征。金相試樣經過粗磨、精磨、機械拋光后根據工藝的不同采取不同的腐蝕方案。鑄態試樣采用電解腐蝕方案，腐蝕劑為高氯酸與無水乙醇混合液，二者按照1∶9的體積比混合，電解參數為電壓20V，電流0.5A，腐蝕時間約6s。熱處理態試樣采用苛性鈉腐蝕方案，腐蝕劑為質量分數1%的NaOH水溶液，腐蝕時間約20s。腐蝕完成的試樣經超聲振動清洗后用AXIO金相顯微系統進行組織觀察。圖11-圖12分別為鑄件鑄態和熱處理態不同取樣位置的微觀組織，圖13為鑄態和熱處理態的共晶硅形貌。根據Al-Si二元合金相圖，A356鋁合金屬于亞共晶合金，在凝固過程中先生成α-Al樹枝晶（如圖13a中的淺色部分），然后在枝晶間析出Al-Si共晶體[12-13]（如圖13a中的深色部分）。從圖11可以看出，不同位置的枝晶形貌相似，枝晶臂的大小和粗細基本一致，α-Al基體和共晶成分的比例也大致相當，說明鑄件不同位置的組織一致性較好。在共晶溫度下，Mg和Si在α-Al中的溶解度分別為1.17%和0.68%[14]，而Mg和Si在合金中的實際含量分別為0.35%和7.47%（見表2），因此，在固溶處理過程中，Mg基本上能溶入α-Al基體中，但是絕大部分的Si沒有溶入基體而是存留在枝晶間，如圖12中的深色部分，在固溶過程中，未溶解的共晶Si逐漸球化，由鑄態的纖維狀逐漸轉變為顆粒狀，如圖13所示。此外，一般認為在時效處理中，α-Al基體中的Mg和Si因為溶解度下降以Mg2Si相彌散析出。直接從鑄件本體取樣以分析材料的力學性能，結果表明，經過T6熱處理強化后，本體材料的抗拉強度可達到280MPa，屈服強度可達到225MPa，伸長率可達到8.1%，硬度為HB95。

3結束語

（1）設計和開發了鋁合金副車架的擠壓鑄造工藝方案，并使用數值模擬技術對工藝進行了優化。擠壓鑄造過程中澆注溫度約700℃，模具溫度為250℃，沖頭主壓射比壓約97MPa，保壓時間20s，在充型過程中，沖頭移動的速度為0.1m/min，充型末期，沖頭移動速度可達到0.2m/min。局部加壓的比壓約250MPa，在壓射終了延時3～5s后啟動。通過擠壓鑄造副車架的試制表明，優化工藝顯著減少了鑄件的縮孔縮松缺陷。（2）對鑄件本體取樣以研究其微觀組織，結果表明，在擠壓鑄造工藝條件下，鑄件組織均勻。經過T6熱處理強化后材料的抗拉強度可達到280MPa，屈服強度可達到225MPa，伸長率可達到8.1%，硬度為HB95。

作者：孫玨許善新 湯杰 王非凡 韓志強 單位：蘇州三基鑄造裝備股份有限公司 清華大學材料學院 先進成形制造教育部重點實驗室