鋁矽合金車身支架及其高壓真空壓鑄製備方法與流程
2024-02-15 14:58:15
本發明涉及一種鋁矽合金車身支架及其高壓真空壓鑄製備方法，屬於汽車零部件技術領域。
背景技術：
汽車車身支架是汽車中的承載受力件，與汽車安全性密切相關。在汽車車身中，許多支架裝在車身結構的節點上並與其它部件連接形成抗變形的高強度框架，這類支架通常具有尺寸大、壁薄、結構複雜等特徵。由於在行駛中要保證汽車可靠的安全性，所以對車身支架的力學性能要求高，一般要求抗拉強度≥240 MPa，0.2％屈服強度大於180MPa,伸長率≥8％, 傳統的汽車支架大多採用鐵或鋼質材料，通過衝壓、鍛造、焊接、鉚接等工藝生產。
在世界汽車市場的激烈競爭中，各國都在向高質量、高可靠性、重量輕、節能、低成本方向發展，尤其是隨著新能源汽車的快速發展，在材料方面表現為輕量化，用鋁合金代替部分鋼(鐵)件，以達到汽車向高質量、低成本的發展的要求；在工藝方面表現為用先進工藝取代傳統的工藝以達到提高毛坯精度，減少加工餘量，減少原材料消耗，降低成本的目的；目前，多數鋁合金高強度鑄件一直是採用重力鑄造或低壓鑄造生產，用這些傳統的工藝製造出的車身支架在外觀呈現冷隔、凹陷、裂紋等不同程度的質量問題，而在內部往往會出現氣孔、縮孔、針孔等致命的缺陷，從而嚴重影響了產品的性能，同時，因成品率較低，資源和能源利用率低，鋁廢料再生利用率不高，環境汙染嚴重等缺陷，使鋁合金在車身支架上的應用受到了極大的限制。
壓鑄工藝具有生產率高、鑄件精密等一系列優點，用壓鑄工藝生產車身支架不但可以縮短生產周期，還可達到高精密接近淨成形，省去大量的機加工序，節約成本，因此，壓力鑄造是生產鋁、鎂合金汽車結構件極具競爭力的一種工藝。但由於車身支架需要優秀的機械性能，為使鋁合金支架獲得高性能，往往需要熱處理，如果支架與其他構件連接，還需要良好的焊接性或鉚接性，顯然，常規的壓鑄工藝無法滿足車身支架的生產要求，結構件的壓鑄生產需要進行新的材料及工藝開發。
技術實現要素：
本發明需要解決的技術問題：
1、為了提高鋁矽合金的強度，通常是提高銅、鐵、鎂等固溶強化合金的百分比，但這些合金組分的增加會同時帶來合金延展性的下降，延伸率不能滿足車身之架的要求，本發明需要解決車身之架滿足高強度的同時滿足高延伸率的要求。
2、由於高壓壓鑄採用熱做模具鋼做為模具成型部分的材料，在高溫、高速、高壓的生產過程中，鋁合金會對模具材料產生侵蝕，導致粘模、拉傷、變形等嚴重缺陷，通常解決粘模傾向是保持0.6-1.0％的Fe含量，但含鐵量高時，鐵相的增加會嚴重降低鋁合金的強度與延展性，本發明需要解決鋁合金粘模與高強度、高延伸率的需求。
3、本發明需要解決鋁合金熔解過程的吸氫與氧化導致的鋁合金脆性問題。
4、要達到車身支架要求的高強度、高延伸率，鑄件必須進行固溶強化處理，另外，車身支架可能會要求與其他車身部件進行焊接、鉚接裝配，在固溶強化或焊接時，如果鑄件內部含有氣泡，高溫時就會膨脹，導致產品表面鼓泡報廢，如何解決高壓、高速壓鑄填充過程的金屬紊流導致的捲入性氣孔，是本發明需要解決的一個工藝問題。
5、由於汽車輕量化的要求，車身支架通常採用網狀、框架類設計結構，依靠結構整體強度滿足車身的承載要求，在固溶及人工時效的高溫下，產品容易產生變形，如何防止鑄件變形，保證車身支架的與整車裝配結構的位置精度是本發明需要解決的問題。
本發明所要解決的技術問題是克服現在常規製造方法在材料、產品性能、模具、製造工藝的技術不足，提供一種高強度、高延展性、無氣孔、可焊接、生產效率高和低成本的鋁合金車身支架的製備方法。
本發明的技術方案及實施工藝：1. 鋁矽合金車身支架，車身支架採用的鋁合金材料組分的重量百分比為：9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.3～0.5％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，0.01-0.03%Sr，其餘為Al。
鋁矽合金車身支架的高壓真空壓鑄製備方法，按以下步驟進行：
1）選取原料：組分的重量百分比為9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.34～0.55％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，其餘為Al；
2）鋁合金熔煉與除氣：將鋁合金材料加入中央熔化爐中進行熔化，利用煙氣的餘熱把鋁錠與回收料預熱到400-450°C，熔解室氣氛溫度控制880-900°C，保溫室鋁液溫度控制750-770°，保持室內的鋁液，每6-10小時一次，打開扒渣口，用塗過被覆劑並充分乾燥的工具，將鋁合金表面一層氧化浮渣打出；
取用鋁液時，把鋁液放到澆包中，用燃氣加熱裝置預熱澆包，預熱溫度400-450°C，向澆包中放鋁液時，預先將佔鋁液重量百分比0.03-0.06％的AL-Sr中間合金放在澆包底部，AL-Sr合金中Sr含量的重量百分比為50％，鋁液放到澆包容積的80-90％；
放到澆包中的鋁液，採用旋轉叉車轉運到除氣位置，採用惰性氣體脫出溶解在鋁合金液內的氫氣，除氣時，先將旋轉噴頭插入鋁液中高速旋轉，同時從噴頭的孔中吹出高純度高純氮氣，氮氣流量流量10-20升/分中，氮氣吹入壓力3-3.5bar，低於3bar自動報警，噴頭轉速250-450轉/分鐘，在噴頭插入鋁液旋轉25-50秒後，石墨擋板插入，氮氣總吹入時間2-6分鐘，除氣完成先把旋轉噴頭與擋板提起，鋁液靜置後用塗過被覆劑並充分乾燥的工具，把鋁液表面的氧化浮渣打出；
3）定量給湯：除氣處理後合格的鋁液轉到壓鑄車間，倒入機邊定量給湯爐，給湯爐內鋁液溫度控制670±5°C，給湯爐採用密閉結構防止鋁合金氧化及熱量散失，採用輻射式電加熱保證鋁液溫度符合工藝要求，生產過程中每2-6小時一次從保溫爐中取樣進行化學成分的光譜分析，重點監控Sr與Mg元素是否符合要求；
4）壓鑄模具：車身支架的壓鑄模具成型部分採用熱做模具鋼材，經過高頻真空淬火及回火後達到基體硬度HRC46±1，表面採用軟氮化處理，氮化層厚度0.08-0.1mmm，表面硬度HV900以上，
模具採用一模一腔的布局，採用扇形內澆口，澆口厚度小於2mm，內澆口填充速度設計48-60米/秒，模具內部設計循環水通道，用恆溫機控制模具溫度平衡，恆溫機的介質為水，水壓7-12bar，出口溫度120-180°C，在壓鑄過程中，每一模產品取出後，用自動噴霧機將水基離型劑霧化噴到模具表面，霧化氣壓4-8bar，噴霧時間1-4秒，噴霧結束後用壓縮空氣清吹模具表面，吹乾殘餘的水分並使離型劑在模具表面形成一層0.003-0.008mm的膜，便於鑄件成型後從模具中脫出；
5）壓力鑄造：定量給湯爐的定量泵把鋁合金液注入容杯後，壓鑄機的衝頭啟動，依次按照慢速啟動、慢壓射、快壓射、增壓壓射四級把鋁合金注入模具型腔：先以0-0.15m/s的勻加速移動，鋁合金承受壓力為零，使衝頭的鈹青銅密封環經過容杯入料口位置後，封閉衝頭與容杯的間隙；然後進行慢壓射，以0.2-0.3m/s的速度，鋁合金承受壓力為零，緩慢移動衝頭，使鋁合金液在容杯內的液面平穩上升，到達模具內澆口部位；快壓射，在鋁合金液到達模具內澆口部位的壓射行程點稱為高速轉換點，衝頭經過高速轉換點後，以300-700m/s²的加速度達到2-6m/s的高速壓射速度，鋁合金通過模具內澆口的速度為48-60m/s，此時鋁合金承受壓力為300-350bar,通過高速、高壓把鋁合金注入模具型腔，鋁合金的高速填充時間控制30-45ms；增壓壓射，隨著鋁合金充滿型腔，壓射衝頭由於運動阻力加大，速度迅速下降，當衝頭速度低於1.5m/s時，壓鑄機給出增壓信號，增壓閥打開，在20-30ms時間內達到850bar的增壓壓力，並保持這個金屬壓力直至鋁合金在模具內完全凝固；
在壓射衝頭達到移動行程點的位置，壓鑄機給出抽真空啟動的信號，真空系統控制模具與容杯兩個區域的真空閥打開抽真空，抽真空分為兩個區，第一個區為容杯內部，在抽真空啟動2-5秒後關閉，第二個區為模具型腔內部，在鋁合金充滿型腔到達真空閥的一級感應位置後，一級感應閥芯感知到金屬的壓力驅動後通過機械傳動把真空閥芯在5ms內關閉，整個壓鑄過程，要求抽真空的真空度小於50mbar,從抽真空開始到達到50mbar的真空度時間小於1秒；
6）精切邊：產品在模具中冷卻後，壓鑄機打開模具，取件機器人把產品從模具中取出，把產品先放置到風冷架上冷卻，產品溫度達到60°以下後，機器人把產品放到油壓切邊機上，切除飛邊及流道、集渣包等餘料，經過切邊後得到車身支架毛坯；
7）固溶處理：把壓鑄好的車身支架固定在專用夾具上，固定點採用支架與車身連接的安裝位置，採用全自動通過式固溶熱處理爐做固溶強化，固溶恆溫結束後，傳送輥道將產品在10秒以內轉移到淬火區域，淬火採用風冷直至室溫；
8）整形：對車身支架進行整形滿足尺寸要求；
9）人工時效：經過整形的尺寸合格的車身支架，採用人工時效達到穩定的強度與延伸率；
10）機械加工：產品經過對裝配區域簡單的銑平面、鑽孔、攻絲後得到車身支架成品。
所述2）步驟中新的鋁錠與壓鑄過程的二次餘料按照60-100：0-40的比例加入，回用材料比例小於40％，熔解過程必須保證投料塔裡面的料是滿的並安裝缺料報警裝置；放完鋁液後，用一種多孔性碳化矽塞子將中央熔爐的出鋁口塞住。
所述2）步驟中，除氣裝置帶有一個石墨做成的中空多孔的旋轉噴頭，噴頭外圓做成不規則凸凹結構，以使噴頭旋轉式帶動鋁液形成強的漩渦，除氣設備另帶有一個石墨擋板，擋板與噴頭距離300mm，擋板的擾動作用有助於吹入的惰性氣體更彌散化，噴頭的孔中吹出高純度99.999％的高純氮氣。
壓鑄模具上有抽真空的閥口，閥口的打開由壓鑄機壓射行程點的某個位置信號驅動，閥的關閉靠一套機械槓桿結構，當感知到鋁合金到達壓力後關閉，工藝要求真空閥芯的關閉應答時間小於5ms，為保證模具抽真空過程能夠達到需要的真空度，對模具的頂杆外圓、分型面等需要密封的部分用矽膠密封圈密封，密封圈要求耐高溫350°C以上，模具的容杯與衝頭之間採用浮動的鈹青銅衝頭環密封。
所述7）步驟中，固溶溫度400-450°C，從室溫升至400-450°C固溶溫度升溫時間20-30分鐘，固溶恆溫時間30-50分鐘，控制固溶區不同區域的溫差小於5°C，
固溶溫度410°C，從室溫升至410°C固溶溫度升溫時間25分鐘，固溶恆溫時間40分鐘，控制固溶區不同區域的溫差小於5°C。
所述7）步驟中風冷強度要求從540°C到150°C的冷卻速度大於4°/秒，
所述8）步驟中：固溶處理後的車身支架，放在專用的檢測、校正夾具上，檢測各個安裝點的位置精度，對超出尺寸要求的位置用油壓壓頭進行整形，直至符合裝配的尺寸要求。
所述9）步驟中：人工時效採用全自動通過式熱處理爐，採用專用夾具，固定點採用支架與車身連接的安裝位置，時效溫度215°C，從室溫到215°C升溫時間45分鐘，控制時效區不同區域的溫差小於5°C，時效時間110分鐘，然後出爐空冷至室溫，得到最終的車身支架毛坯。
本發明所採用的鋁合金成分尤其是微量元素的含量、Sr元素的加入方式、熱處理工藝等保證車身支架同時具有高的強度與延展性的關鍵，經產品切片試驗，T7處理後的抗拉強度大於240MPa;0.2%屈服強度大於180MPa，延伸率大於8％，完全滿足承載式車身零部件的機械性能要求。
高效的脫氫除氣工藝，高真空的鑄造工藝是保證鑄件內部達無氣孔的關鍵，滿足了固溶處理以及與其他零部件焊接、鉚接裝配的要求。
高壓壓鑄高的生產效率、高的尺寸精度、小的切削餘量，滿足了汽車車身支架大批量、低成本的批量生產要求。
鋁合金重量輕，結構強度高的特點，滿足了新能源汽車更高的輕量化要求。
本發明的鋁合金車身支架高壓真空鑄造製備方法，能夠適滿足承載式車身支架對機械性能、生產效率、成本的要求，具有廣闊的應用前景。
具體實施方式
1、原材料採購：車身支架採用的鋁合金材料組分的重量百分比為：9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.3～0.5％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，0.01-0.03%Sr，其餘為Al；
Si含量控制在鋁矽合金共晶點附近，改善金屬的流動性，添加一定比例的Mn元素，改善鋁合金對模具鋼材的親和力，避免鋁與模具侵蝕產生粘模，由於Mn的作用，可以降低Fe的含量，以提高合金的延展性，Mg是在鑄件固溶時的強化相，有助於提高鋁合金強度，但控制Mg含量小於0.5％，否則會降低金屬的延展性，加入微量的Ti/Sr元素在合金中起到變質作用，細化結晶組織的晶粒度，Sr元素為熔煉過程中加入，Fe/Cu/Zn為雜質元素，嚴格控制最大上限。
外購鋁合金採用00#電解鋁配置，組分的重量百分比為9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.34～0.55％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，其餘為Al，為防止壓鑄過程Mg含量燒損導致Mg含量低於要求影響強度，外購鋁錠中Mg的含量略微提高，Sr為後加入成分。
2、鋁合金熔煉與除氣：將鋁合金材料加入中央熔化爐中進行熔化，新的鋁錠與壓鑄過程的二次餘料按照60-100：40-0的比例加入，回用材料比例小於40％，鋁料採用自動投料機構投入到投料塔中，利用煙氣的餘熱把鋁錠與回收料預熱到400-450°C，同時，由於鋁料的封閉作用，在熔解室形成還原性氣氛，防止鋁合金氧化，熔解過程必須保證投料塔裡面的料是滿的並安裝缺料報警裝置，熔解室氣氛溫度控制880-900°C，保溫室鋁液溫度控制750-770°，保持室內的鋁液，每8小時一次，打開扒渣口，用塗過被覆劑並充分乾燥的工具，將鋁合金表面一層氧化浮渣打出。
取用鋁液時，把鋁液從中央熔爐放到用高氧化鋁澆鑄料做成的澆包中，澆包不使用時，用燃氣加熱裝置預熱，自動預熱溫度400-450°C，向澆包中放鋁液時，預先將佔鋁液重量百分比0.03-0.06％的AL-Sr中間合金放在澆包底部，AL-Sr合金中Sr含量的重量百分比為50％，靠鋁液自身溫度把中間合金熔解，依靠鋁液衝入的動能使中間合金與鋁液充分攪拌，均勻混合，對鋁合金液進行變質處理，鋁液放到澆包容積的80-90％，放完鋁液後，用一種多孔性碳化矽塞子將中央熔爐的出鋁口塞住。
熔煉過程中，由於鹽類的成分會顯著降低鋁合金的延展性，所以熔煉過程的除渣、除氣不能使用用常規含鹽類成分的變質劑。
放到澆包中的鋁液，採用旋轉叉車轉運到除氣位置，採用惰性氣體脫出溶解在鋁合金液內的氫氣，除氣裝置帶有一個石墨做成的中空多孔的旋轉噴頭，噴頭外圓做成不規則凸凹結構，以使噴頭旋轉式帶動鋁液形成強的漩渦，除氣設備另帶有一個石墨擋板，擋板與噴頭距離300mm，擋板的擾動作用有助於吹入的惰性氣體更彌散化。除氣時，先將旋轉噴頭插入鋁液中高速旋轉，同時從噴頭的孔中吹出純度99.999％的高純氮氣，氮氣流量流量15升/分中，氮氣吹入壓力3-3.5bar，低於3bar自動報警，噴頭轉速350轉/分鐘，在噴頭插入鋁液旋轉30秒後，石墨擋板插入，氮氣總吹入時間4分鐘，除氣完成先把旋轉噴頭與擋板提起，鋁液靜置1分鐘後，用塗過被覆劑並充分乾燥的工具，把鋁液表面的氧化浮渣打出。用小的專用坩鍋杯從鋁液中取2個小樣，一個在常壓下凝固，一個在500mbar下凝固，利用阿基米德定律計算代表鋁合金含氫量的密度指數，密度指數＝（常壓下密度－真空下密度）*100/常壓下密度，要求密度指數小於等於3，密度指數不合格，澆包內鋁液做為不合格材料重新回爐。
3、定量給湯：除氣處理後合格的鋁液轉到壓鑄車間，倒入機邊定量給湯爐，給湯爐內鋁液溫度控制670±5°，給湯爐採用密閉結構防止鋁合金氧化及熱量散失，採用輻射式電加熱保證鋁液溫度符合工藝要求，生產過程中每4小時一次從保溫爐中取樣進行化學成分的光譜分析，重點監控Sr與Mg元素是否符合要求。給湯爐向壓鑄機供鋁液時，用氣壓定量泵根據設定的給湯量對應的金屬體積，給壓鑄機供鋁液，鋁液用定量泵壓出後，通過導液槽流入壓鑄機的容杯中。
4、壓鑄模具：車身支架的壓鑄模具成型部分採用熱做模具鋼材，經過高頻真空淬火及回火後達到基體硬度HRC46±1，表面採用軟氮化處理，氮化層厚度0.08-0.1mmm，表面硬度HV900以上。壓鑄模具上有抽真空的閥口，閥口的打開由壓鑄機壓射行程點的某個位置信號驅動，閥的關閉靠一套機械槓桿結構，當感知到鋁合金到達壓力後關閉，工藝要求真空閥芯的關閉應答時間小於5ms，為保證模具抽真空過程能夠達到需要的真空度，對模具的頂杆外圓、分型面等需要密封的部分用矽膠密封圈密封，密封圈要求耐高溫350°C以上，模具的容杯與衝頭之間採用浮動的鈹青銅衝頭環密封。模具採用一模一腔的布局，採用扇形內澆口，澆口厚度小於2mm，內澆口填充速度設計48-60米/秒，模具內部設計循環水通道，用恆溫機控制模具溫度平衡，恆溫機的介質為水，水壓9bar，出口溫度140°，在壓鑄過程中，每一模產品取出後，用自動噴霧機將水基離型劑霧化噴到模具表面，霧化氣壓6bar，噴霧時間1.5秒，噴霧結束後用6bar壓縮空氣清吹模具表面，吹乾殘餘的水分並使離型劑在模具表面形成一層0.003-0.008mm的膜，便於鑄件成型後從模具中脫出。
4、壓力鑄造：定量給湯爐的定量泵把鋁合金液注入容杯後，壓鑄機的衝頭啟動，依次按照慢速啟動、慢壓射、快壓射、增壓壓射四級把鋁合金注入模具型腔：先以0-0.15m/s的勻加速移動，鋁合金承受壓力為零，移動行程200mm，使衝頭的鈹青銅密封環經過容杯入料口位置後，封閉衝頭與容杯的間隙；然後進行慢壓射，以0.25m/s的速度，鋁合金承受壓力為零，緩慢移動衝頭，使鋁合金液在容杯內的液面平穩上升，到達模具內澆口部位；快壓射，在鋁合金液到達模具內澆口部位的壓射行程點稱為高速轉換點，衝頭經過高速轉換點後，以500m/s²的加速度達到4m/s的高速壓射速度，鋁合金通過模具內澆口的速度為48-60m/s，此時鋁合金承受壓力為300-350bar,通過高速、高壓把鋁合金注入模具型腔，鋁合金的高速填充時間控制30-45ms；增壓壓射，隨著鋁合金充滿型腔，壓射衝頭由於運動阻力加大，速度迅速下降，當衝頭速度低於1.5m/s時，壓鑄機給出增壓信號，增壓閥打開，在20-30ms時間內達到850bar的增壓壓力，並保持這個金屬壓力直至鋁合金在模具內完全凝固；
在壓射衝頭達到200mm行程點的位置，壓鑄機給出抽真空啟動的信號，真空系統控制模具與容杯兩個區域的真空閥打開抽真空，抽真空分為兩個區，第一個區為容杯內部，在抽真空啟動2.5秒後關閉，第二個區為模具型腔內部，在鋁合金充滿型腔到達真空閥的一級感應位置後，一級感應閥芯感知到金屬的壓力驅動後通過機械傳動把真空閥芯在5ms內關閉，整個壓鑄過程，要求抽真空的真空度小於50mbar,從抽真空開始到達到50mbar的真空度時間小於1秒，以能夠把模具內的空氣完全抽出，得到無氣孔的車身支架。
5、精切邊：產品在模具中冷卻12秒後，壓鑄機打開模具，取件機器人把產品從模具中取出，把產品先放置到風冷架上，冷卻6分鐘，產品溫度達到60°以下後，機器人把產品放到油壓切邊機上，切除飛邊及流道、集渣包等餘料，經過切邊後得到車身支架毛坯。
6、固溶處理：把壓鑄好的車身支架固定在專用夾具上，固定點採用支架與車身連接的安裝位置，採用全自動通過式固溶熱處理爐做固溶強化，固溶溫度410°C，從室溫至410°C固溶溫度升溫時間25分鐘，固溶恆溫時間40分鐘，控制固溶區不同區域的溫差小於5°C，恆溫結束後，傳送輥道將產品在10秒以內轉移到淬火區域，淬火採用風冷，風冷強度要求從540°C到150°C的冷卻速度大於4°/秒，風冷直至室溫。
7、整形：固溶處理後的車身支架，放在專用的檢測、校正夾具上，檢測各個安裝點的位置精度，對超出尺寸要求的位置用油壓壓頭進行整形，直至符合裝配的尺寸要求。
8、人工時效：經過整形的尺寸合格的車身支架，採用人工時效達到穩定的強度與延伸率，人工時效採用全自動通過式熱處理爐，採用專用夾具，固定點採用支架與車身連接的安裝位置，時效溫度215°C，從室溫到215°C升溫時間45分鐘，控制時效區不同區域的溫差小於5°C，時效時間110分鐘，然後出爐空冷至室溫，得到最終的車身支架毛坯。
9、機械加工：產品經過對裝配區域簡單的銑平面、鑽孔、攻絲後得到車身支架成品。
上述出現的各個具體參數可在實際生產中根據實際情況在規定區域內做出相應改變。