原标题：挤压铸造高强度汽车铝合金转向节铸件工艺

摘要：采用挤压铸造工艺开展了400 MPa级汽车转向节铸件的研制工作，通过Al-Si-Cu-Mg合金成分优化、挤压铸造工艺设计及优化、挤压铸造模具设计及制造、转向节挤压铸造工艺试验等工作，成功开发出高强度铝合金转向节铸件。铸件本体的抗拉强度，屈服强度，伸长率和布氏硬度（HB）分别达到454.6 MPa, 409.2 MPa，6.2%，137.2。

当前，随着汽车轻量化的不断深入，约占整车质量20%左右的汽车底盘零部件轻量化受到了极大的关注，采用高强度铝合金材质替代传统的钢铁材质是重要的发展方向。转向节是汽车转向系统中的重要功能零件，既承载一定的车体质量，又在汽车行驶过程中承受交变载荷和刹车时的力矩，是确保汽车安全行驶的重要安保零件之一。为了满足强度上的需要，目前国内大多数转向节的生产依然采用球铁铸造成形，无法满足汽车进一步轻量化的需要。

挤压铸造工艺是铸造和模锻相结合的一种近净成形工艺方法，适合生产高性能要求铝合金铸件。由于合金液是在冲头较大机械压力作用下充型并在压力下凝固，铸件力学性能得到显著提升，性能可接近锻件性能水平。目前，国内外针对汽车底盘铝合金铸件挤压铸造工艺开展了一定的研究工作，取得了一定的成果，但性能指标大部分处于300 MPa级，对于性能达到400MPa级的铸件产品报道较少。本课题选用Al-Si-Cu-Mg合金材质试制转向节铸件，采用“间接挤压铸造”工艺，所开发的转向节挤压铸件品质达到了设计单位的要求。

1、Al-Si-Cu-Mg合金成分优化

选用的Al-Si-Cu-Mg合金其化学成分范围（质量分数）为：6.0%~6.6%的Si，3.5%~4.5%的Cu， 0.15%~0.30%的Mg，0.05%~0.30%的Ti，其余为Al。为了获得较佳的合金力学性能，为转向节铸件本体性能达到设计要求奠定材料基础，对该合金材料化学成分进行了优化。

图1是Si含量分别在6.0%、6.2%、6.4%以及6.6%时合金的力学性能。可以看出，随着Si含量提高，合金抗拉强度和伸长率都有不同程度的降低。该合金加入Si元素的目的是提高合金的流动性，但转向节所采用的铸造工艺为挤压铸造工艺，合金是在较大压力下充型，对其充型能力的要求不高，因此，为了保证合金具有较高的力学性能，将Si含量取值设定为合金成分范围的下限，即Si含量为6.0%。

图1：不同Si含量对合金力学性能的影响（热处理状态T6处理）

图2是Cu含量分别在3.7%、4.0%、4.2%以及4.5%时合金的力学性能。可以看出，随着Cu含量提高，合金抗拉强度以及伸长率都有不同程度的增加。由于合金中Cu含量提高会增加合金的热裂敏感性，而转向节铸件结构较为复杂，且采用挤压铸造工艺，如采用Cu含量较高的合金成分，极易出现热裂缺陷，因此，将合金的Cu含量设定为成分范围的下线，即Cu含量为3.7%。

图2：不同Cu含量对合金力学性能的影响

图3是Mg含量分别在0.15%、0.2%、0.25%以及0.3%时合金的力学性能。可以看出，随着Mg含量提高，合金抗拉强度和伸长率都有不同程度的增加。由于Mg元素在合金熔炼过程中容易烧损，因此，为保证Mg元素符合该合金成分范围，将合金的Mg含量设定为成分范围的上线，即Mg含量为0.3%。

基于此，确定了试验用合金的化学成分，即6.0%的Si，3.7%的Cu，0.30%的Mg，0.05%~0.30%的Ti，其余为Al。

图3：不同Mg含量对合金力学性能的影响

2.转向节铸件挤压铸造工艺设计及优化

采用自主开发的8 000 kN级挤压铸造成形设备生产转向节铸件。结合铸件结构特点和技术指标要求，开展了转向节铸件挤压铸造工艺设计及优化工作。图4是转向节铸件间接挤压铸造工艺三维数模图及模拟结果，采用垂直挤压方式成形转向节铸件，并在铸件中心位置添加局部挤压，以解决远离冲头位置由于压力损失而产生铸造缺陷和力学性能偏低的问题。从模拟结果上看，铸件缺陷均出现在加工余量位置以及集夹槽位置，铸件本身未出现铸造缺陷问题。

图4：转向节铸件挤压铸造工艺

3.转向节铸件挤压铸造模具设计

间接挤压铸造工艺是目前主流的挤压铸造成形工艺，该工艺可实现合模成形、满足结构复杂铸件成形的需要，且尺寸精度高，可满足近净成形的要求。为了保证转向节铸件的尺寸精度，采用了间接挤压铸造成形工艺，并设计了转向节挤压铸造成形模具（见图5）。该模具的主要工作过程是：首先，卧式挤压机动模板带动动模运动，与定模闭合完成锁模动作；之后，将金属液浇入到压室之中，卧式挤压铸造机挤压缸带动挤压活塞向上运动，推动金属液向上充型，当金属液完成充型之后，保压一段时间使金属液在压力下完成凝固，保压结束后，动模带动铸件移动完成开模过程，当移动到一定距离之后触碰到顶杆机构，完成转向节铸件脱模过程；最后，移出转向节铸件，向定模和动模型腔喷涂脱模机，完成整个工艺过程。

图5：转向节铸件挤压铸造模具结构示意图

4.转向节铸件试制结果与分析

4.1 挤压力对铸件内部质量的影响

图6是挤压力为60 MPa条件下，转向节铸件无损探伤检测情况。可以看出，转向节铸件存在较为严重的缩孔、缩松缺陷，特别是厚壁位置，以及远离挤压冲头和局部挤压冲头位置缺陷更加严重。分析认为，在挤压铸造加压过程中，由于冲头的加压过程与铸件凝固过程同时进行，铸件薄壁位置凝固较快，会成为一个“支撑点”，从而阻碍冲头对尚未凝固的厚大部位进一步挤压，该部位得不到补缩而出现缩孔、缩松缺陷。另外，在间接挤压铸造过程中，由于已凝固的结晶硬壳与铸型壁之间存在“摩擦力”，加之此硬壳的“支撑”作用，以及复杂结构对补缩液态金属流的“阻碍”作用，使远离冲头和局部挤压的铸件部位实际上受到的挤压压力远低于工艺设定的挤压力，存在较大的“压力损失”，导致铸件一些部位生产较为严重的冶金缺陷问题。

为了解决上述问题，将挤压力提高了1倍，即达到120 MPa，图7是转向节铸件在挤压力为120 MPa条件下无损探伤结果。可以看出，铸件内部质量良好，未发现铸造冶金缺陷问题。分析认为，挤压力的增加克服了薄壁位置率先凝固而产生的“支撑阻碍”作用以及远离冲头而造成的“压力损失”，达到了可消除铸件冶金缺陷问题的“临界挤压值”，显著提高了液态金属的补缩能力，消除了铸件产生的冶金缺陷。

图6：挤压比压6 0MPa条件下转向节铸件X光探伤片

图7：挤压比压为120 MPa条件下转向节铸件X光探伤片

4.2 挤压力对铸件本体力学性能的影响

对转向节铸件本体力学性能进行测试，图8为本体力学试棒取样位置，表1为铸件各部位本体力学性能。从力学性能测试结果上看，铸件各个位置力学性能相当，说明挤压效果良好，压力损失并不明显。

图8：转向节铸件本体力学性能检测取样示意图

表1：转向节铸件不同位置力学性能平均值

从表1可以看出，铸件本体力学性能有了较为显著的提升，特别是伸长率提高较为明显。主要原因是，随着压力的提升显著提高了合金液的形核率，由于形核率与压力呈正比关系，压力的增加可显著促进晶核的增殖，使晶粒变小，细化了铸件晶粒组织。另外，挤压力的增加可改善铸件与模具之间的界面传热条件，热阻显著降低，提高合金液的凝固速率，减小铸件一次枝晶间距和二次枝晶间距，铸件晶粒组织得到明显细化，从而使铸件力学性能得到显著提升。另外，挤压力的存在可增加ɑ固溶体的数量以及细化硅质点，从而显著提高合金的塑性性能。图9为挤压状态和未挤压状态合金的显微组织，可以看出，经过挤压后铸件显微组织明显细化。

图9：转向节铸件本体力学性能检测取样示意图

5.结论

（1）利用自主开发的8 000 kN挤压铸造成形设备成功开发出转向节铸件，经过无损探伤检测，铸件冶金质量良好，无缩孔、缩松、裂纹等缺陷，满足了设计单位提出的技术指标要求。

（2）挤压力为60 MPa时，由于挤压力较小，未达到可消除铸件铸造缺陷的“临界挤压值”，由于先凝固位置的“支撑作用”和远离挤压源的“压力损失”，造成铸件补缩不畅，厚大热节部位和远离冲头和局部挤压的位置出现了较为明显的铸造缺陷问题。

（3）当挤压比压增加到120 MPa时，挤压力达到了铸件“临界挤压值”，消除了铸件冶金缺陷，在此条件下，铸件的抗拉强度，屈服强度，伸长率和布氏硬度（HB）分别达到454.6 MPa, 409.2 MPa， 6.2%， 137.2。

（4）挤压比压的增加可显著提高合金液的形核率，减小铸件一次枝晶间距和二次枝晶间距，铸件晶粒组织得到明显细化，挤压铸造铝合金控制臂铸件力学性能得到显著提高。

作者：
李宇飞 冯志军 李泽华 阮明 苏鑫
沈阳铸造研究所有限公司高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2019年第39卷第12期