隨著人們對環(huán)保和乘用車輕量化需求的日益增長，傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)件的弊端也日益顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)件，一般是用結(jié)構(gòu)鋼板，沖壓成型后進(jìn)行焊 接，或使用緊固件連接。這樣的結(jié)構(gòu)重量大，連接點多，需要多道工序才能獲得復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)。

　　如改用輕合金薄壁大型鑄件，一方面可取得顯著的減重效果;另一方面，由于只使用一個零件即可獲得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而減少了成型和連接環(huán)節(jié)。

　　據(jù)此，為某高級轎車設(shè)計開發(fā)的新型零件 “Shock Tower”，就是以減重為主要目標(biāo)，并將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)通過鑄造一體成型的全新設(shè)計。Shock Tower 又可稱為前輪罩，它是連接車身和底盤的重要結(jié)構(gòu)件。其形狀如圖1所示，三維均約500 mm，絕大部分部位壁厚僅約3 mm。

　　Shock Tower 除了強(qiáng)度要求外(抗拉≥180MPa， 屈服≥120MPa)，也涉及到多種連接技術(shù)，特別是一些鉚釘?shù)倪B接，如圖2 所示，要求材料具備至少10% 的斷后伸長率，否則將產(chǎn)生不可接受的開裂。

　　1 選材策略

　　1．1 汽車行業(yè)常見鑄鋁工藝的分析

　　目前汽車行業(yè)常用的鑄鋁件，主要是通過高、低壓鑄造獲得的，傳統(tǒng)的重力澆注反而不多。

　　對于 Shock Tower 這樣形狀復(fù)雜的大型薄壁件，如果采用重力或低壓鑄造，因為充型速度有限，鋁湯將在金屬模的快速冷卻下，在充型完成前即大量凝固，從而造成澆不足或冷隔等缺陷。

　　高壓鑄鋁件(以下簡稱“壓鑄件”)，是將鋁湯在大噸位的壓機(jī)推動下完成充型，然后在金屬模中快速凝固，以獲得細(xì)小的晶粒和較高的強(qiáng)硬度。其特點是成型好、凝固快、工作效率高、強(qiáng)硬度高，但普遍缺點就是脆性大，一般斷后伸長率都低于3%。

　　使用凝固潛熱高的鋁硅合金高壓鑄造 Shock Tower，可以給鋁湯提供足夠的充型速度和凝固時間以保證充型。但10%的斷后伸長率要求，對于壓鑄件而言是前所未有的挑戰(zhàn)。一般鋁硅合金可通過變質(zhì)和熱處理來改善共晶硅相(以下簡稱“硅 相”)，使針片狀的硅相圓潤，來提高塑性。但對于壓鑄件，還存在以下兩個問題。

　　金屬模薄壁件凝固速度快，會影響變質(zhì)效果; 壓鑄件在充型時，鋁湯會裹入大量氣體，除產(chǎn)生氣孔外，還會在后期熱處理時發(fā)生鑄件近表面氣泡鼓起問題，如圖 3 所示。這是因為鑄件凝固后再 進(jìn)行熱處理，氣孔將因高溫而膨脹，合金也因高溫 而軟化。而此時已沒有凝固時的金屬模具阻擋，于是容易在鑄件表面形成鼓包。嚴(yán)重的鼓包，除影響外觀外，也將在受載時成為應(yīng)力集中點，可能導(dǎo)致裂紋從鼓包處起源。所以傳統(tǒng)壓鑄件一般不進(jìn)行熱處理操作。

　　1．2 突破傳統(tǒng)的真空高壓鑄鋁

　　將壓鑄模具抽為真空，就可以顯著減少充型時裹入的氣體。這樣在凝固成型后再對零件進(jìn)行固溶和人工時效熱處理，可不發(fā)生鼓包問題。而此時因為硅相經(jīng)熱處理后顆粒更圓潤，從而可以顯著提高材料塑性，達(dá)到斷后伸長率設(shè)計指標(biāo)。

　　這樣的真空高壓鑄造件，除保留了壓鑄件固 有的優(yōu)點外，還可以適用鉚接、焊接(同樣因裹入氣體會造成焊接氣孔和鼓包)等更靈活的連接方 式，用于要求高塑性、韌性等多種受載場合，是對壓鑄工藝具有歷史意義的革新。

　　華中科技大學(xué)的材料成形與模具技術(shù)國家重 點實驗室也成功地使用鋁鎂合金 ZL101 － T6 完成 了真空壓鑄件的試制。其后研發(fā)的某轎車底盤 件，斷后伸長率可達(dá) 7.3%，是國內(nèi)非常成功的范 例。但需大批量生產(chǎn) 10% 以上的真空壓鑄件，在國內(nèi)尚鮮有先例。

　　2 成分設(shè)計

　　2．1 傳統(tǒng)壓鑄件的成分特點

　　為保障充型能力、抗熱裂和減少縮孔，傳統(tǒng)壓鑄件一般選用高硅的鋁合金。同時為進(jìn)一步提高強(qiáng)度，銅和鎂元素也是經(jīng)常添加的。

　　鎂元素與硅形成的Mg2Si硬質(zhì)相，需通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，才能起到良好的?qiáng)化作用。而Al2Cu硬質(zhì)相，即使不進(jìn)行熱處理也能起到顯著的強(qiáng)化作用。所以傳統(tǒng)壓鑄件更多傾向于添加銅元素。

　　壓鑄件為減少粘模，鐵含量一般較高。但鐵 元素在鋁合金中易形成針狀脆性相，如圖 4 所示，也是導(dǎo)致壓鑄件脆性高的原因之一。

　　變質(zhì)劑對硅相的變質(zhì)效果如圖 5 所示。但由于壓鑄件凝固速度快，會減弱變質(zhì)作用。加上傳統(tǒng)壓鑄件對塑性要求低，所以一般都不添加鍶等變質(zhì)劑。

　　2．2 真空壓鑄件改良元素的添加

　　由于 Shock Tower 對塑性要求高，其成分設(shè)計 應(yīng)不同于傳統(tǒng)的壓鑄件。雖然為確保鑄造性能， 保持了以硅元素為主(硅含量取 8% ～12%，在真空壓鑄條件下此含量的鑄造性能和強(qiáng)度都較好)，但進(jìn)行了以下改良創(chuàng)新:

　　(1)銅元素降低了塑性，改為以鎂元素為主要強(qiáng)化元素，通過熱處理獲得所需機(jī)械性能。

　　(2)通過添加鍶元素，對硅相形態(tài)進(jìn)行先期的改善。

　　(3)通過添加較多含量的錳元素，以減少含鐵脆性相對機(jī)械性能的影響。

　　綜上所述，最終制定的鋁合金牌號為:AL－C－D－Si10MnMg。具體成分指標(biāo)因涉及公司技術(shù)機(jī)密，在此不予公開。

　　3 熱處理制度

　　雖然從成分設(shè)計上進(jìn)行了變質(zhì)處理，但還是需要對Shock Tower進(jìn)行熱處理，才能進(jìn)一步提高性 能，特別是材料塑性，以達(dá)到斷后伸長率設(shè)計指標(biāo)。

　　3．1 鑄造鋁合金一般熱處理方法

　　鑄造鋁合金的熱處理，是通過固溶和時效等過程來改變鑄件的金相組織，控制強(qiáng)化相的形態(tài)、 大小、分布和數(shù)量，以獲得期望的材料性能的方法。按美國金屬手冊的定義，主要熱處理制度有:

　　T4:固溶熱處理后，沒有經(jīng)受冷加工，通過室溫時效使其機(jī)械性能穩(wěn)定化。一般強(qiáng)度較低。

　　T5:從高溫成型工藝?yán)鋮s后，比如鑄造或擠壓后，沒有經(jīng)受冷加工，通過人工時效(沉淀熱處 理)，而得到改善的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，能獲 得較高的強(qiáng)度。特別是沒有經(jīng)過固溶處理，節(jié)約 了能源、時間，并減少了淬火時的變形和殘余 應(yīng)力。

　　T6:固溶熱處理后，沒有經(jīng)受冷加工，通過人工時效(沉淀熱處理)，而得到改善的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，往往是為了獲得最高的強(qiáng)度。

　　T7:固溶熱處理后，通過人工時效(沉淀熱處 理)達(dá)到過時效的程度。穩(wěn)定化熱處理雖然會使 強(qiáng)度下降，但可提高塑性、尺寸穩(wěn)定性和抗應(yīng)力腐蝕的能力。

　　3．2 Shock Tower 熱處理制度的確立

　　對于 Shock Tower，首先最多的強(qiáng)化相是共晶 硅相。鑄造態(tài)(以下簡稱為“F”態(tài))組織中的共晶 硅變質(zhì)效果如因快速凝固而不夠理想，應(yīng)通過適 當(dāng)?shù)臒崽幚?，將共晶硅顆粒化、圓潤化。這樣降低 了尖銳組織的應(yīng)力集中，可起到提高塑性和強(qiáng)度 的作用。

　　其次，對于鋁鎂硅合金，無論是鑄鋁合金還是 用于塑性變形加工的變形鋁合金，Mg2Si 也是其主 要的強(qiáng)化相。未經(jīng)熱處理的 Mg2Si往往較集結(jié)，呈 粗大的骨骼狀，如圖 6 左上圖所示。這樣的 Mg2Si 起到的作用更接近于脆性的夾雜物，很難對機(jī)械性能有好的貢獻(xiàn)。經(jīng)過合適的熱處理，可以使 Mg2Si 在鋁基體中均勻彌散地分布，且顆粒細(xì)小， 一般用金相顯微鏡很難觀察到，如圖 6 右上圖所 示。這樣的組織可強(qiáng)化基體，提高材料機(jī)械性能。

　　Shock Tower 有一定的強(qiáng)度要求，且塑性要求 非常高。先期的試驗發(fā)現(xiàn)T4強(qiáng)度太低，而T6塑性不能達(dá)標(biāo)。且對于這樣的大型薄壁零件，如果 進(jìn)行固溶處理，零件變形將非常嚴(yán)重。T7 雖然要 固溶，但強(qiáng)度和塑性都能滿足設(shè)計。與不用固溶 處理的 F 和 T5 狀態(tài)相比，強(qiáng)度要求都能滿足，但 斷后伸長率僅 T7 狀態(tài)的才能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，如表 1 所 示。通過金相組織可以看到，經(jīng)變質(zhì)處理的真空 壓鑄件，再進(jìn)行 T7 熱處理，已很難找到針片狀的 共晶硅相，如圖 7 所示。雖然共晶硅相的長大會 造成強(qiáng)度的下降，但圓潤的形態(tài)將顯著提高材料 塑性變形能力。

　　最終 Shock Tower 選擇的熱處理制度是 T7，并 通過特殊的固溶淬火工藝和特制零件夾具系統(tǒng)， 解決了大型薄壁件在熱處理過程中的變形問題。 具體工藝參數(shù)細(xì)節(jié)因涉及公司技術(shù)機(jī)密，在此不 予公開。

　　4 零件試制驗證

　　通過 CAE 等手段進(jìn)行了模具設(shè)計，最終完成 了實際鑄件，如圖 8、9 所示。圖 9 中標(biāo)記為3#的 區(qū)域，是相對較易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的部位。

　　經(jīng) T7 熱處理后的 Shock Tower 樣件，除成分 和靜拉伸性能均符合設(shè)計指標(biāo)外，零件表面也進(jìn) 行了目視檢測，未發(fā)現(xiàn)鼓包缺陷。對設(shè)計要求區(qū) 域進(jìn)行了 X － ＲAY 內(nèi)部缺陷檢測，也均滿足ASTM E505－level1級水平，圖10即為3#區(qū)域的X-RAY檢測照片。至此，真空高壓鑄鋁件Shock Tower的材料研發(fā)工作基本完成。

　　5 結(jié)語

　　本文根據(jù)新型車身結(jié)構(gòu)件 Shock Tower 在減 重和機(jī)械性能等方面的設(shè)計要求，選用突破傳統(tǒng)的真空高壓鑄鋁工藝，并進(jìn)行了相應(yīng)的成分設(shè)計 和熱處理制定，成功完成了滿足零件設(shè)計要求的 高塑性壓鑄鋁材料研發(fā)。

　　本項目的研發(fā)成功，不僅是對傳統(tǒng)壓鑄工藝 的一次重大突破。對于乘用車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計， 使用輕金屬鑄件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼架結(jié)構(gòu)，也給予了很有價值的借鑒。