原标题：半固态流变压铸铝合金主轴承盖

摘要：某发动机主轴承盖采用半固态铝合金流变压铸工艺制造，相比原QT500-7球墨铸铁件减重45%，轻量化效果显著，零件性能满足设计要求。根据半固态铝合金319S的材料性能和半固态压铸工艺特点，对主轴承盖进行了结构重新设计和工艺仿真优化，采用三级固溶热处理，得到的零件组织细密，力学性能高，内部无气孔、缩松等缺陷。零件通过一千万次单体台架疲劳试验验证，具有良好的应用前景。

铝合金已在缸体、缸盖、正时链轮壳、凸轮轴支座等壳体、支座类零件上使用。主轴承盖是发动机中的重要零件，通过螺栓将曲轴安装在龙门式缸体上，对曲轴起导向与固定作用，需要承担燃烧室爆发产生的压力和曲轴运动产生的往复惯性力，对强度和刚度要求较高，一般的铝合金铸件难以满足零件要求。半固态流变压铸技术，结合了半固态铸造和传统压铸的特点，生产效率高，铸件表面光洁度高、尺寸精度高、力学性能优良，可有效控制铸件内部缩孔、气孔缺陷含量，可经过热处理提高强度，已部分应用于汽车行业，但半固态铝合金发动机主轴承盖的开发在国内尚未见报道。

1、铝合金主轴承盖零件结构设计优化

选用高固相半固态流变压铸工艺制造主轴承盖，半固态浆料固相率约为45%。主轴承盖原型为某三缸涡轮增压发动机，为QT500-7球墨铸铁铸造，单件质量为289 g，每台发动机搭载4件，改为半固态铝合计铸件后，采用了Al-Si-(Cu)-Mg系319S半固态铝合金，并通过固溶和时效处理以提高性能，合金化学成分标准及实测值见表1。

表1 319S铝合金的化学成分（wb/%）

结合319S半固态铝合金的性能典型值，目标为抗拉强度≥390 MPa，屈服强度≥305 MPa，疲劳强度≥164 MPa，通过相应热处理工艺达到。由于319S的弹性模量、拉伸性能、疲劳性能都低于原球墨铸铁材料，需开展相关结构强度与刚度的优化设计，以使其性能指标满足要求。

对半固态铝合金主轴承盖开展结构强度仿真分析，主要包括静强度分析、疲劳安全系数、接触压强、相对/绝对滑移量分析等。根据分析结果中的薄弱点不断优化零件结构，零件结构优化过程见图1。

图1 半固态铝合金主轴承盖设计优化过程

通过扩大排气侧的加强筋，并在进气侧增加加强筋，解决了铝合金主轴承盖静强度不足的问题，结构特征见图2；增高主轴承盖的螺栓孔周围的实体，增高量为5 mm，使铝合金主轴承盖相对滑移量达到设计要求；将两螺栓孔之间填满实体，见图3，以提高零件刚度及疲劳性能，同时保证充型过程中浆料平稳顺序地由厚壁充型至薄壁区域，增强凝固时的高压补缩效果。

图2 QT500主轴承盖和319S主轴承盖的结构对比

图3 铝合金主轴承盖与铸铁主轴承盖

对优化后的最终数模采用ABAQUS软件进行静强度、接触压强、绝对滑移与相对滑移仿真计算，采用FEMFAT软件MAX模块进行疲劳安全系数仿真计算，结果见表2，发现均满足设计要求。其中，静强度应力最大值小于材料屈服强度（见图4），疲劳安全系数大于1.1（见图5），滑移量小于限值。

表2 319S铝合金主轴承盖结构分析结果

图4 主轴承盖静强度分析最大应力值

图5 主轴承盖疲劳安全系数（最薄弱处）

2、铝合金主轴承盖铸造工艺仿真分析及优化

为保证半固态压铸件顺利成形，需要综合考虑半固态金属充型、凝固和脱模等问题。半固态浆料是非牛顿流体，其流动特性和凝固特性与常规压铸浆料不同，具有剪切变稀的特性。为获得良好的半固态压铸件，充型过程中浆料前沿应保持平稳顺序充型，浆料内部应为层流充型，凝固过程中应保证良好补缩，避免出现热节。

对铸件开展铸造工艺CAE仿真分析。铸件为一模两件，模具材料设置为H13钢，铸件材料设置为自定义数据库的半固态319S材料，主要物理性质包括密度、热膨胀系数、固相分数、粘度等，均是温度变化的函数。主要模拟参数见表3。

表3 半固态主轴承盖铸造CAE模拟参数

针对半固态铝合金浆料充型温度区间较窄，充型温度较低的特点，浇口位置应选取在铸件的中心位置，以避免充型过程中浆料流动距离过长造成冷隔、浇不足等缺陷，有利于实现半固态压铸平稳充型；铸件中心位置的壁厚要和内浇口配合，保证补缩通道连续性。铝合金主轴承盖的内浇口开设在顶部中心位置，壁厚在装配空间允许范围内增至最大。

主轴承盖充型仿真结果见图6，充型前沿的半固态金属熔体保持了“层流”流动，避免了湍流，平稳均匀地充满型腔。最后充型的位置设置渣包及时排渣。在横浇道中部拐弯处设计一处角状缓冲区，以改变浇道中半固态浆料的流速，保证浆料进入内浇口时前沿为平面。

图6 充型仿真结果

经产品结构优化及浇注系统优化设计，保证该零件在半固态压铸充型之后实现顺序凝固，即最后充型位置、零件、浇注系统依次凝固，这样有利于实现充型之后的高压补缩，提高产品致密度，消除缩孔缩松缺陷，温度场分布仿真结果见图7。

图7 温度场分布结果

3、铝合金主轴承盖铸件试制

319S浆料通过旋转热焓平衡法（SEED法）制备，通过调整金属熔体的浇注温度、金属坩埚旋转速度和旋转时间等制备固相率约45%的半固态坯料。产品在BUHLER 840T压铸机上试制，模具材质为H13钢。铸件要求无裂纹、欠铸、疏松、气泡和任何穿透性缺陷，热处理后不允许出现过烧组织。

结合铸造工艺CAE模拟和现场压铸试验，优化工艺参数为：慢速速度为0.15~0.25 m/s，二快速度为0.3~0.5 m/s，开始压力24~36 MPa，建压时间为0.02 s，工作压力90~105 MPa，保压时间为30 s。试制样件见图8，主轴承盖毛坯质量为180 g，机加后成品质量为159 g，相比原铸铁件减重130 g，减重比例45%。

图8 主轴承盖试制样件

采取三级固溶处理的热处理方案，结合有关研究[4]，选择（470 ℃×4 h）+（500 ℃×160 min）+（510 ℃×160 min）的三级固溶处理，然后自然时效12 h，人工时效170 ℃×10h的热处理方案。由于该319S铝合金在高温固溶时，可能因工艺不当或炉温控制精度不够，在晶界处出现过烧孔洞类缺陷，所以在热处理过程中应严格按照热处理工艺参数执行，并严格控制炉体实际温度不超过设定值。

4、铝合金主轴承盖铸件质量检测

从主轴承盖成品毛坯上取样进行拉伸性能试验，结果见表4。

表4 铸件取样拉伸试验结果

从主轴承盖上取样，热处理后金相组织见图9，可以看出，α-Al相呈球状，变质正常，分布均匀，通过截线法计算晶粒大小为109.8 μm。共晶Si颗粒较为圆整，并均匀分布在初生α-Al晶界处，无针状或大块硅颗粒；平均Si颗粒尺寸小于8.0 μm，最大Si颗粒尺寸小于10.0μm。

图9 半固态铝合金主轴承盖热处理金相组织

对铸件进行X光探伤和荧光探伤检验，结果显示铸件无气孔、缩松等缺陷，符合要求，见图10。

图10 铸件X光探伤和荧光探伤结果

5 铝合金主轴承盖台架试验

参考JB/T 13203 ，对半固态铝合金主轴承盖进行台架试验验证，试验在六路液压油加载管路试验台上运行，设计试验工装示意图见11。试验将主轴承盖、螺栓、定位环和主轴瓦按实际工况装配在缸体上，并通过模拟活塞、连杆及曲轴与试验台装配。

图11 铝合金主轴承盖台架试验

试验循环次数基数107次，失效判据为样件在试验载荷作用下明显破坏，如产生局部断裂或有裂纹产生。加载顺序为1-2-3缸顺序加载，加载相位间隔120°，加载波形为正弦波，加载频率10 Hz，加载幅值为1.5倍缸压，即15.75  MPa，加载压力峰值为(15.75±0.1)MPa，加载压力谷值不大于0.63 MPa。载荷最终作用到主轴承座轴瓦面上，通过对连杆等贴应变片测量确认载荷传递是否有损失。经测量，连杆应力为78.8 MPa，判断液压加载腔内脉动载荷基本无损失的传递到模拟加载轴，最终加载至主轴承盖。完成107次加载后，主轴承盖外观完好，无可见裂纹、破损或变形，通过验证。

6、结语

发动机主轴承盖生产工艺由球墨铸铁砂型铸造工艺改为半固态铝合金流变压铸铸造工艺，结合结构和工艺优化，成品质量为159g，相比铸铁件减重45%，单台发动机减重520g，轻量化效果显著。

对主轴承盖进行了重新设计以满足零件各项性能指标要求，对浇道结构、浇口位置及尺寸等开展了设计优化，经过三级固溶、自然时效、人工时效热处理，得到的零件金相组织致密，力学性能好，内部无气孔、缩松等缺陷。

作者：

任俊成 李涛 王泽忠 唐元媛 李欣
东风汽车集团有限公司技术中心

陈颂 李大全
有研工程技术研究院有限公司

梁小康
爱柯迪股份有限公司

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2022年第42卷第07期