解析差壓鑄造鋁合金轉向節的熱處理工藝

李 莎

（陜西工業職業技術學院材料工程學院熱處理教研室，陜西咸陽712000）

在汽車的轉向系統中，轉向節是不可忽視的構成部分，既可以與汽車懸架、前車軸相連，又是轉向系統的制動器相連?？梢赃@樣說，轉向節在前輪的轉動中起著支撐作用，又可以促使汽車靈活的轉向，承載著多重負荷力的沖擊。在使用差壓鑄造的方式打造鋁合金轉向節的過程中，熱處理環節的工藝效果直接影響著整個轉向節的安全性能。鑒于此點，有必要對熱處理的施工工藝進行研究探討。

1 轉向節鑄造工藝的研究現狀

1.1 制造工藝介紹

墨鑄鐵是傳統汽車中轉向節的最主要鑄造原料，以此鑄造的轉向節存在著易疲勞失效且過重的缺點。為改善缺點，使其重量降低且簧下性能增強，很多國外相關人員開始對高性能鋁合金轉向節進行研究，具體可見圖1。當前鋁合金轉向節已經被廣泛運用于歐美、日本等國家地區，讓轉向節從傳統的墨鑄鐵升級為鋁合金鑄造，以此來提升轉向節的性能、降低轉向節的重量同時減少成本。立式擠壓鑄造機是在日本擁有較久歷史的一種鋁合金轉向節制造機械，其制造過程保密性非常之強[1]。而在歐洲等國家的鋁合金轉向節，主要運用差壓鑄造。

作為汽車鍛件中極為重要的鍛件之一，轉向節的制造非常復雜困難，且轉向節的整體設計水準決定了整體汽車鍛件的水準，鑄造過程繁雜，需要具備較高標準要求的鍛造技術與模具。

圖1 鋁合金轉向節示意圖

1.2 轉向節生產面臨的問題

當前，鍛造轉向節需要先解決以下幾項問題：鍛造消耗的能源過多且對原材料的使用率太低；以研究人員的實際經驗來決定轉向節是否研發新品，時間周期過長、費用過高、風險較高。運用差壓鑄造的方式雖然有高效率，但其采用原料的以A356 鋁合金為主，其抗拉強度與屈服強度分別約為280 MPa與180 MPa，相較而言伸長率不夠高，通常小于5%。然而隨著技術的不斷進步與發展，對A356 鋁合金進行熱處理，其抗拉強度保持280 MPa 左右，屈服強度可提升至約200 MPa，將伸長率提升8%。很明顯差壓鑄造轉向節的機械性能增強，可以達到保證駕駛安全的標準。

2 差壓鑄造鋁合金轉向節生產工藝

2.1 差壓鑄造工藝及優勢

通過壓力來充型與結晶的鑄造方式即差壓鑄造。此種鑄造方式兼具壓力與低壓鑄造。首先進行低壓鑄造，使用密封罩密封，將壓縮空氣注入向坩堝與罩內，使內部壓力上升，以此通過壓力差使金屬液經過升液管充型，之后在壓力作用下凝團結晶。

差壓鑄造有以下優勢：①由于高壓氣體會使合金液發生凝固，而在合金液中溶解后形成的氣體會因其凝固而出現難以析出的現象，使析出性氣孔不易出現；②合金液內部的氣體壓力小于合金液表面壓力，會使差壓鑄造的補縮性能加強，以避免縮松、縮孔等不良問題出現。相較于低壓鑄造而言，差壓鑄造具有組織密度高，性能強，并且能夠增強10%～50%的鍛件抗拉強度，25%～50%的伸長率；③進行差壓鑄造的過程中，由于受到型腔中氣體氣壓的影響，金屬表面氣體氣膜的密度增強，受熱后會提升抵抗液態金屬進入凹坑的作用[2]。

運用差壓鑄造的方式有以下優點，模腔中的鋁液由模具底部注入，而后運用壓力來平衡反壓，防止在充型的過程中出現鋁液噴涌或模具被腐化的不良問題出現，使整個過程保持穩定，且可運用模具設計的升級以及定向冷卻的方式來掌控凝固結晶，以保證轉向節鑄造的整體質量與效率。

2.2 轉向節差壓鑄造機組成

圖2 為差壓鑄造機的結構圖。由以下圖可見主要由上下壓力罐、升液管以及坩堝等部分組合而成。升液管與坩堝主要安裝于下壓力罐中的電阻保溫爐內；通過控制使模具與驅動順著支柱的方向垂直上下運作，使轉向節進行差壓鑄造。

2.3 轉向節差壓鑄造工藝

圖2 差壓鑄造機的結構示意圖

完成差壓鑄造需要經過六個階段。首先0～t1在上壓力罐中完成壓力罐的充氣；而后同樣在上壓力罐完成t1～t3，壓力罐內壓力開始下降，然而此時下壓力罐并未出現壓力變化，兩者之間會出現壓力差，使鋁液順著升液管進入至模具內；t3～t4 主要為鋁液的上升以及充型階段；t4～t5 主要是保壓；t5～t6 階段主要是互通；最后的t6開始進排氣與卸壓。鋁合金轉向節的澆筑鋁合金過程中，0.5～0.6 MPa 為充氣時的壓力，在澆筑時溫度控制在710～725 ℃；模具中的運行溫度控制在150～280 ℃，不可大于360 ℃；將保壓與留模的時間掌控在15～25 s。

3 差壓鑄造轉向節熱處理工藝

3.1 差壓鋁合金鑄件的熱處理施工方式

運用同一熱處理標準來進行差壓鋁合金的熱處理工作，設定溫度升高的速度，當達到相應溫度之后進行保溫，最后降溫，以此來使鋁合金的組織發生變化，提升鋁合金的整體性能，例如抗腐蝕性、尺寸穩定性等[3]。進行熱處理的主要參數設定有：當溫度升高至520 ℃時，進行20 min 的保溫，而后繼續溫度提升至535 ℃，再進行8 h 的保溫；需要將淬入60 ℃水中的時間控制在15 s 內；當完成淬入后，將其放置保溫爐，溫度為165 ℃，而后完成6 h的保溫，最后在出爐室完成2 h的降溫冷卻。

使鋁合金熱處理至高溫單相區，而后保溫，讓過剩相得以溶解而后迅速冷卻，這就是鋁合金的固熔處理。主要由以下幾個目的：

（1）讓Mg，Si完全固溶于α（Al）基體內；

（2）使Mg，Si更加均勻的處于α（Al）基體內；

（3）使共晶Si的形態由原本的纖維轉化為向粒形態。

所謂的固熔強化即為固溶合金元素至基體內，以提升合金的整體強度。準確的把握固熔的時間與溫度能夠提升整體的固熔質量，以不存在過熱、過燒為前提，案例中將固熔溫度控制為535 ℃，8 h的時間。一定程度提升淬火時的溫度，能夠使固熔體達到最大的效益，因此案例將淬火參數定為60 ℃，15 s，主要為了確保不會在有第二相在此過程中析出，否則會導致之后的過程中，發生相起晶核的現象，以至于影響整體的固熔強化質量。

3.2 具體施工流程

首先需要完成調質工序，而后通過淬火來實現硬度與深度都更進一步的硬化層表面，這樣在增強鍛件的耐磨性的同時提升整體韌度。

（1）調質工序。一般而言在鹽浴爐中來完成調質這一工序，基本的標準為能夠進行無氧加熱處理。過程中的回火參數為：將溫度控制在180 ℃內，保證80～100 min的保溫，而后進行冷卻。

（2）高頻淬火。主要運用連續式加熱的方式來完成，需要保證感應器與主銷之間有2～3 mm 的距離，并且在進行水淬過程中的壓力要嚴格按照標準進行，使深度與硬度得到保證。

3.3 熱處理注意事項

進行熱處理的工序中，會因為諸多影響因素而使整體的效果受到削減，當影響程度較深會直接關系到鍛件的最終質量，因此這一工序尤為重要。淬火裂紋是在高頻淬火中最容易出現的不良現象。這一現象的出現與感應器的噴水孔直接相關，多數是因為冷卻過程操作不當。以此為了提升冷卻的整體效果，降低淬火裂紋這一不良現象的出現，需要作出以下措施：

（1）做好感應器與主銷間隙的控制工作，當二者的間隙處于合理狀態時，可以削弱淬火裂紋現象。

（2）削弱噴射壓力。

（3）在進行淬水冷卻處理時，需要加快工件旋轉速度，由此起到提升冷卻均勻性的目的。

4 轉向節疲勞試驗驗證

從性質上考慮，轉向節是汽車中極為重要的安全部件之一，其對應的安全等級達到了Ⅰ級。經大量試驗結果表明，轉向節常見有疲勞破壞這一失效形式，其對力學性能提出的要求極為嚴苛，因此需要進行臺架試驗，由此驗證其安全性能[4]。

基于道路疲勞試驗，具備顯著的荷載準確性特點，但在開展試驗時需要耗費更多的實踐與成本，同時受試驗強化系數的影響較大。對于轉向節室內臺架而言，其優點較為突出，所需的時間較少，同時邊界條件具有高度的一致性。對此，宜優先選用室內臺架試驗，如圖3所示：

圖3 室內轉向節疲勞臺架試驗

綜合圖3 進行分析，試驗中需要使用到MTS 液壓伺服試驗系統，同時將單軸交變載荷作為主要的載荷條件。對標準沃勒曲線進行分析，由此明確受損程度，對于轉向節裂縫而言其長度控制在1mm以內。試驗中使用到了A356鋁合金材料，需要通過熱處理的方式對其進行加工，而后將其用于臺架試驗中。此外，鋁合金轉向節需要滿足安全性、疲勞壽命等方面的性能要求。

5 結 語

本文介紹了A356 鋁合金為原材料制造轉向節的熱處理工藝，經轉向節臺架試驗檢測，其安全性能符合汽車對轉向節性能的需求。在具體的制造過程中，需要熟練的地掌握鋁合金轉向節的熱處理工藝技巧，避免質量缺陷，可以為生產轉向節提供一個良好的質量保障，從而為我國汽車零部件的創新發展提供有用的參考。