汽車下托盤鋁合金壓鑄件熱處理工藝探討

陶 誠

（廣東銘利達科技有限公司，廣東 東莞523658）

0 引言

當代新能源汽車正朝著輕量化、高速、安全舒適與節能的方向發展。為實現這一目標，新能源汽車材料及技術的進步與發展起著舉足輕重的作用，而使用輕質材料則是減輕車重的一個重要措施[1-2]。

由于鋁合金密度低，能夠很好地滿足車身材料輕量化的用材需求，其強度高，接近或超過優質鋼，加上塑性好，容易加工成型，且具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，目前已被廣泛應用到汽車生產制造領域，是目前汽車領域使用量僅次于鋼的合金。但由于現有的鋁合金車身構件存在著強度不足、穩定性不夠等問題，易導致汽車局部變形從而影響汽車性能及壽命。目前鋁合金構件的制造方法主要有鍛造和鑄造，鑄造鋁合金因其原材料及加工成本比鍛造鋁合金具有優勢，且鑄造鋁合金經熱處理工藝后可以得到強化，能夠滿足汽車鋁合金構件的使用性能要求，因而在汽車領域鑄造鋁合金得到較為普遍的應用。對于鑄造鋁合金的熱處理強化，饒曉曉[3]以A356鑄造鋁合金輪轂為研究對象來研究固溶工藝參數對力學性能的影響規律；沈健等人[4]對6005A鑄造鋁合金的淬火方式研究發現A6005A鋁合金要滿足性能要求必須要有較高的淬火條件和較短的停放時間；張德恩等人[5]采用正交實驗法對鑄造鋁合金的力學性能影響因子進行分析并得到最佳的熱處理工藝路線。為了進一步強化鋁合金鑄件，因此，尋找有效的鋁合金熱處理工藝顯得十分重要，對于提高汽車整體性能也有著非凡的意義。

本文以汽車下托盤鋁合金鑄件熱處理工藝為例，通過合理的熱處理工藝設計來提高鋁合金的力學性能，為生產制造企業及相應的人員提供一定的參考。

1 鋁合金熱處理的特性

1.1 熱處理目的

經壓鑄成型后的鋁合金鑄件通常情況下還不能夠直接使用，主要原因在于壓鑄后的鋁合金車身構件的機械性能還滿足不了實際的使用要求，鑄件內部還存在著內應力，使得鑄件組織結構不穩定，從而會導致鋁合金車身鑄件尺寸不穩定。為了進一步提高鋁合金鑄件的強度及尺寸穩定性，有必要對形成后的鑄件進行熱處理。

根據文獻[6]，鋁合金車身構件熱處理的目的具體有以下三個方面：

（1）可以強化合金，改善鋁合金金相組織，提高鋁合金鑄件的機械性能，改善鋁合金的切削性能及焊接性能；

（2）可以消除因鑄件壁厚不均、轉接處壁厚過大等原因造成鑄件結晶凝固時因冷卻速度不均勻所造成的內應力，穩定鋁合金鑄件的組織及零件輪廓尺寸；

（3）防止和消除高溫相變而使體積發生變化，消除晶間和成分偏析，使組織均勻化。

1.2 熱處理特點

鋁合金材料的成分對鋁合金構件的力學性能有著直接的影響，同時也對鋁合金鑄件的熱處理工藝產生十分重要的影響。

由于鋁沒有同素異構轉變，所以鋁合金的熱處理強化方法與鋼不同，其利用溶體化處理和時效硬化處理來強化鋁合金，通過固溶處理，使合金元素和第二相固溶于基體，并通過時效處理均勻析出細小的強化相，以此達到強化目的[7]。

正是由于鋁合金的這種熱處理強化機理，并非所有的鋁合金都可以進行熱處理強化，故在實際生產應用中，除了ZL102（Al-Si系）、ZL302（Al-Mg系）及ZL401（Al-Zn系）等鋁合金因鑄造性能優良、鑄造過程無熱裂及疏松傾向、氣密性較好等特點而不可熱處理強化之外，其余的鋁合金鑄件必須要經過熱處理來達到強化合金，提高鑄件的機械性能及其他的使用性能，進一步改善切削加工和焊接等加工性能。

2 試驗材料與熱處理工藝

2.1 鋁合金錠材料成分

本文試驗采用Al-Si系合金鋁錠AlSi10MnMg，參考標準GB/T 20975.25-2008，用電感耦合等離子體原子發射光譜儀對三個試樣進行檢測，材料成分如表1所示。

表1 鋁錠材料成分（%）

2.2 鑄件存在的問題

圖1所示的為高真空壓鑄鋁合金下托盤構件試樣，未經熱處理前，鑄件力學性能為抗拉強度小于230 MPa，屈服強度小于180 MPa，延伸率不足5%；在負載氣密測試中，氣體泄漏速率達到0.35 kPa/min，與使用要求嚴重不符，表明鑄件因強度不足出現較大的變形；鑄件螺紋孔螺紋強度不足，提供不了產品所需要的鎖緊力，在裝配過程中，容易出現螺紋牙破爛，且容易松動。

圖1 下托盤鋁合金鑄件試樣（局部）

為了提高上述鋁合金鑄件的使用強度及尺寸穩定性，有必要通過熱處理工藝的優化來達到強化鑄件目的。

2.3 熱處理工藝

經多次反復試驗驗證，確定下托盤鋁合金熱處理工藝為：將下托盤鋁合金鑄件放入固溶電阻爐中固溶，固溶溫度為520℃，固溶時間為2 h，使合金內的可溶相充分溶解。然后采用風冷方式對鑄件進行2 h冷卻到室溫，使鑄件急冷，目的在于使得強化后的組元在合金中得到最大限度的溶解，強化鋁合金鑄件。最后進行人工過時效，將鑄件重新加熱到230℃，保溫2～5 h，使強度略有下降，提高塑性，以此使得鋁合金鑄件獲得較好的力學性能。下托盤鋁合金鑄件熱處理工藝溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 下托盤鑄件熱處理工藝溫度變化曲線圖

3 性能檢測與結果分析

3.1 力學性能檢測

在經熱處理后的下托盤鋁合金鑄件上截取三個試片（見圖3（a）），利用300 kN電子萬能試驗機對試片進行力學性能檢測，采用ASTM B557-15檢測標準，得到試片檢測結果如表2所示。

表2 下托盤鋁合金鑄件主要力學性能

由表2可知，通過熱處理工藝操作后，鑄件抗拉強度遠大于230 MPa，屈服強度超過180 MPa，延伸率大于5%，較之前有著較為明顯的提高。在材料的承受極限內，多次的載荷測試，試片沒有明顯的變形（見圖3（b）），鑄件力學性能得到使用要求。

圖3 下托盤鋁合金鑄件試片

3.2 扭力測試

隨機選取3個試樣，在每件鑄件上隨機選取其中的6處螺紋孔做鋼套/牙套的緊固力矩測試，要求安裝孔螺紋的機械性能滿足安裝力矩≥15 N·m，并且要滿足10次以上拆裝而不得出現功能失效，同時要求打緊螺栓至15 N·m后，反向打力矩至8 N·m時，鋼套不得與本體發生旋轉或脫離。扭力測試結果如表3所示。

表3 下托盤鋁合金鑄件扭力測試結果

從表3可以看出，隨機選取的3個試樣，任意6處螺紋孔的鋼套/牙套的緊固力矩測試達到檢測要求，表明下托盤鋁合金鑄件強度達到使用要求。

3.3 氣密測試

鋁合金鑄件的氣密測試是衡量鑄件變形程度最為直觀的檢測方法，也可以用來評估鑄件熱處理后尺寸的穩定性，檢測是否存在較大的內應力。下托盤鋁合金鑄件氣密測試，要求保持通入氣壓≥20 kPa，保壓1 min，觀察泄露速率，泄露速率≤0.1 kPa/min的情況下為達標。在同一批次產品中隨機選取10個試樣，其氣密測試結果如表4所示。

表4 下托盤鋁合金鑄件氣密測試結果

由表4可知，該批次下托盤鋁合金鑄件氣密測試達標，表明了鑄件熱處理后穩定性較好，鑄件變形量在要求范圍內。

4 結束語

本文針對汽車用壓鑄鋁合金構件存在強度不足、殘余內應力以及組織尺寸不穩定等問題，以汽車下托盤鋁合金鑄件為例，對其進行了熱處理優化，并對鑄件進行了力學性能檢測、扭力測試及氣密測試分析，以此評估熱處理后的鑄件的使用性能，結果顯示：經過該熱處理工藝處理后，鑄件較熱處理前力學性能有著較為明顯的提高，大大提高了鑄件的強度，熱處理后的鑄件組織穩定，內應力較小，結構尺寸穩定，表明了下托盤鋁合金鑄件較佳的熱處理工藝為520℃固溶并保溫2 h，風冷急速降溫2 h冷卻到室溫，人工過時效230℃，保溫2～5 h。