铝合金高真空压铸技术的开发及应用

1、新型高强度高韧性耐腐蚀Al-Mg-Si-Mn合金的开发及应用研 究 报 告1 立项依据1.1 项目的目的及意义轻量化是未来汽车工业的重要发展方向之一，铝合金及其成形技术是当前汽车轻量化特别是在汽车结构部件的轻量化开发中首先选择的方向。尽管铝合金在汽车轮毂、变速传动机构等部件中用的越来越多，但在底盘关键结构部件中则应用的很少。本项目基于广汽自主品牌汽车“传祺”的开发与生产需求，旨在开发出一种底盘后副车架用高强度、高韧性、耐腐蚀的适于真空压铸成形的新型铝合金材料。 压力铸造简称压铸，是一种高速高效的先进成形工艺，是复杂薄壁铝、镁合金铸件的主要成形方法之一，在汽车/摩托车用铝、镁合金零部件的生产中占

2、有相当大的比例。但是压铸生产的铝、镁合金铸件内部气孔多，无法进行固溶热处理或焊接成形，也不能进行过多的机加工。因此压铸件在轿车/摩托车的重要保安零件如底盘悬架上的副车架、轿车A/B柱等结构受力件上的应用受到严重限制。如何充分发挥压铸的技术优势，特别是利用压铸方法来生产高强度、高韧性的铝、镁合金压铸件以满足轿车轻量化的发展需求是人们长期以来研发的前沿技术之一。国外发达国家如德国、日本等基于汽车轻量化的发展需求，对底盘/车身类高强韧压铸铝合金进行了开发和研究，取得了很好的效果。然而迄今为止国内对汽车底盘/车身关键结构部件的高强韧压铸铝合金的研发和应用尚未见有公开报道。因此，研发具有自主知识产权的汽

3、车底盘关键部件用高强韧压铸铝合金材料对提升我国汽车零部件的制造技术水平，促进国内汽车轻量化技术的发展及零部件企业的技术进步，实现节能减排，有着非常重要的理论和实际意义。 1.2 国内外技术发展现状与趋势基于材料强度、制造工艺性等原因，铝合金是当前汽车轻量化的主要选择材料，其中适于压铸成形的铝合金材料获得了广泛应用。压铸铝合金应用最多的是Al-Si-Cu系合金，如国内YL112、YL113，日本ADC12，美国A380等，因为上述合金具有优异的铸造性能和良好的力学性能。其次是具有良好抗冲击性能和疲劳强度的Al-Si-Mg系如YL104、ADC3、A360等。由于压铸成形时铝液在高速高压下以喷射状

4、态流入型腔，为了防止铝液粘模腐蚀损坏模具，压铸铝合金中的Fe含量一般都较高（1%以上）。因Fe与合金中的Al和Si会生成针状的FeAl3、Al-Fe-Si的中间化合物，此类中间化合物的存在严重削弱了压铸件的力学性能，尤其是断裂韧性。对于Al-Si-Cu系合金而言，加入Cu虽然可以提高压铸件的强度，但却降低了铸件的韧性，而且Cu的加入会降低铸件的耐腐蚀性能。因此，以现有的Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系为主的压铸铝合金而言，根本无法满足高强度、高韧性、抗冲击、耐腐蚀等汽车结构件的要求，不能应用于汽车底盘上的结构受力零件。为了达到汽车底盘关键结构受力零件对铝合金强度和韧性的要求，国内外对高强

5、韧压铸铝合金进行了研究与开发。由于Mg在Al-Si合金中与Si形成Mg2Si，固溶热处理时溶入基体，时效时析出，起强化合金作用；同时Mg的加入可提高合金的耐腐蚀性，因此高强韧压铸铝合金的开发主要以Al-Si-Mg系为主。德国Rhein-felden公司研发了Al-Si-Mg系的Silafont-36高强韧压铸铝合金。为确保铸件韧性，该合金中含Fe量控制在0.15%以下；为防止因含Fe量降低而引起的粘模，适当增加Mn量至0.50.8%；另外添加100200ppm的Sr对共晶硅进行变质处理。近藤和利则以Silafont-36合金为基础，调整Mg量，研究了压铸件的焊接性能及T5热处理条件的铸件屈服强

6、度和伸长率；此外他还开发出了Al-Si系的高强度和高韧性压铸铝合金，着重研究了压铸件铸态、T6及T0热处理下的抗拉强度、屈服强度及伸长率的变化。德国Alcan公司研发了名为Aural-2和Aural-3的高强韧压铸铝合金，在底盘部件上获得了成功应用。坂元哲夫等以AC4CH（日本JIS 牌号，相当于中国标准ZL101A）为基础，研究了Si、Mg量及T6热处理条件对铸件性能的影响。结果表明当Si控制在9.512%范围时铸件的屈服强度、断裂伸长率高；Mg含量在0.30.5%时铸件屈服强度优异。而当Si和Mg同时作用时，应控制Si在9.510.5%范围内。此外，还针对开发的新型合金优化了其热处理条件，

7、重点探讨了时效温度和时效时间对铸件力学性能的影响。日本公司也开发了亚共晶的Al-Si-Mg系热处理型高韧性压铸铝合金，其断裂伸长率在T5热处理时为515%、T4热处理则高达1025%。矢幡茂雄等比较了AC4C（相当于ZL101）、AC4CH（相当于ZL101A）、AC4C+Mg（即在AC4C的基础上增加Mg的含量）、AC4C+Mn（即在AC4C的基础上增加Mn的含量）四种合金材料的压铸件在T6热处理后的抗拉强度和伸长率。综合相关文献和专利，国外开发的高强韧压铸Al-Si-Mg合金的化学成份归纳如表1所示。由表1可知，合金的主要化学成份分布范围相当集中，差别细微。国内对汽车用高强韧压铸铝合金的开

8、发才刚刚起步。华中科技大学万里等以ZL101为基础，初步探讨了高强韧压铸铝合金的组织和性能，取得了一定的成果。表1 部分高强韧压铸铝合金的化学成分（%）合金名称SiMgCuFeMnTiSr其它研发者Aural-20AlcanAural-310NissanADC3日立金属Silafont360.Rhein-feldenAC4CH广岛铝业Zn-10-12日本轻金属广东鸿泰华中科技大学热处理是提高铝合金力学性能的一种重要方法，目前应用较多的是T6热处理。T6热处理是将铝合金加热到适当温度并保温一段时间（固溶处理），然后快速将零件放置到一定温度的水中，通过加快铸件冷却速度及随后的时效处理从而达到提高零

9、件强度或韧性的目的。由于汽车底盘/车身件多为结构复杂、壁薄的大型零件，当其固溶处理后被快速放入水中冷却时，会形成很大的收缩应力而使零件发生变形。零件变形小则影响尺寸精度，需要矫形；变形大时则报废。因此，开发出一种无需热处理的高强韧压铸铝合金在生产中更有理论和实际意义。相比于上述需要热处理的高强韧压铸铝合金而言，无需热处理具有工艺上的优点：一是简化工序，提高效率；二是节省成本；三是减少了零件热处理中的变形，有利于保证铸件尺寸精度；四是减少矫形亦可降低人工成本及铸件产生微裂纹的风险。因而非热处理的高强韧压铸铝合金在底盘类零件的应用中拥有成本和技术优势。综上所述，结合广汽自主品牌轿车“传祺”的开发，

10、广东鸿泰科技股份决定开发了Al-Mg系列的非热处理型的高强度、高韧性、耐腐蚀的压铸铝合金及其熔炼处理工艺。参考文献1 近藤和利. 高真空法大型製造. 素形材，2005，46（2）：6112 Johann Emmenegger. Vacuum Die Casting Technology for Automotive ComponentsC. Ohio:NADCA. 2006:T06-623 坂元哲夫，吉良庆二，神户洋史. 高真空法自动车用部品开发. 铸造工学（日），2004，76（4）：2832884 . 溶接可能薄肉高品位. 素形材，2005，46（1）：785 Michael Wappel

11、horst etc. Large Heat Treated Structural High Pressure Die Castings. Cincinnati: NADCA, 2001:T12-05 6 自動車. 軽量高品質製. 素形材，2005，46（1）：352 项目主要研究内容和方法及采取的技术路线 主要研究内容本课题围绕高强度高韧性耐腐蚀压铸Al-Mg-Si-Mn合金的成分、性能与熔炼处理技术开展研究，主要的开发要点如下：1）研究主要化学成分Mg、Si、Mg/Si比、Cu、Ti等元素对合金材料力学性能（强度、伸长率）的影响规律，优化出其主要化学成分。2）分析新型铝镁合金的组织变化特征。

12、3）研究其熔炼处理工艺，获得熔化速度快，氧化夹杂少、含气量低、温度损失小的方便快捷的铝液熔炼及处理技术。2.2 本项目的技术开发路线本项目采用了理论分析与试验研究相结合，着重于技术开发的方式完成拟定的研究任务和目标。本项目的技术路线如图1所示。图1 技术开发与研究路线3 主要研究结果1）新型压铸铝镁硅锰合金的主要化学成分试验所需的试样采用副车架铸件中部的本体试样，试样为矩形，截面尺寸4X10mm，有效长度50mm，为消除铸造缺陷的影响，一个铸件中取5个试样进行拉伸测试。压铸试验的主要条件：浇注温度700720，慢压射速度/s，快压射速度/s。（a） 抗拉强度 （b）伸长率图2 Si对Al-Mg

13、合金力学性能的影响 （a） 抗拉强度 （b） 伸长率图3 Mg对Al-Mg合金力学性能的影响图2 显示了Si含量对铸件抗拉强度及伸长率的影响规律。由此可以看出：在试验的参数范围内，随着Si含量的增加，抗拉强度逐渐升高，在1.5%左右时，铸件的抗拉强度达到最大值。而伸长率则随着Si量的增加逐渐降低，当大于1.6%后，铸件的伸长率降低到6%以下，已不能满足性能要求。因此，从强度和伸长率两方面考虑，生产中Si的成分控制在1.41.6%比较合适。图3为Mg含量对力学性能的影响变化规律。当Mg含量在4.65.4%之间时，抗拉强度呈现幅度较小的波动，但都在240MPa以上。伸长率则是随Mg的增加，呈现下降

14、的趋势。在Mg5.5%以上时伸长率已难于保证达到6%以上的技术要求。由图2、图3可以看出，Mg、Si的含量对铸件的力学性能具有重要影响。Mg的加入提高了强度，降低了伸长率。在Al-Mg合金中加入Si，可提高合金的流动性，降低热裂倾向，即有效改善合金的铸造性能。但Si的加入会影响到合金的力学性能，特别是降低伸长率。对于副车架之类的保安零件，因伸长率要求高，故而应严格控制Mg、Si的含量。Si在合金中与Mg形成Mg2Si强化相，一般而言，Mg2Si相越多，强度越高，伸长率越低。因此为探讨Mg2Si相的作用影响，引入了Mg/Si比值来评估材料的力学性能。图4为Mg/Si对Al-Mg合金力学性能的影响

15、规律，当Mg/Si由2.9增加到3.2时，伸长率随之升高；由3.2继续增加到3.6时，伸长率则呈现下降趋势。因有伸长率大于6%的技术要求，Mg/Si控制在3.1到3.5之间较合适，而在3.2左右时，伸长率达到最大值。总之，在实际生产中，需对Mg、Si以及Mg/Si加以严格控制，以保证铸件的伸长率达到规定的技术要求。（a） 抗拉强度 （b） 伸长率图4 Mg/Si对Al-Mg合金力学性能的影响 图5 Ti及Cu的添加量对Al-Mg合金伸长率的影响图5 为Cu及Ti对Al-Mg合金伸长率的影响。当Ti0.17%时，铸件的伸长率已降低到6%以下，无法满足副车架的力学性能要求。虽然加入Ti可以细化晶粒

16、，当含量过大时，Ti反而会恶化力学性能，因此，与Al-Si-Mg合金加入细化剂不同，在Al-Mg合金中应控制Ti的加入，其含量应保证在0.17%以下。 Al合金中加入Cu可以提高材料的强度性能，但却降低了材料的伸长率。从图5可以观察到这一明显的变化趋势，当Cu含量超过0.03%时，铸件的伸长率低于6%的标准。因而Cu在Al-Mg合金中作为杂质元素存在，因其要求的含量很低，需严格加以控制，尤其是应控制其它合金元素中Cu杂质的含量，否则实际生产中，Cu量很容易超标，恶化材料的力学性能。 通过上面的大量试验，优化后的新型Al-Mg-Si-Mn合金的主要化学成分为：Mg 4.5%-5.4%，Si 1.

17、4%-1.6%，Mn 0.4%-1.0%，Fe 0.22%，Ti 0.17%，Zn0.10%，Cu 0.03%，Be 0.0045%，其它杂质0%（硼，铬，镍，铅，锡，钙，锶，钒）。2) 新型Al-Mg-Si-Mn合金的组织图6 为压铸后Al-Mg-Si-Mn合金的金相组织照片。从图中可以看出，因表面的凝固速度快，铸件表面的组织要比中心部位的组织细小，均匀。Al-Mg合金的主要组织为初生Al+Mg2Si，因初生Al的韧性好，且含量较多，故而材料的伸长率高。合金中有适量的Mg2Si在合金中其强化作用，从提高了合金的抗拉强度。据此可以推断，合金具有优良的力学性能即抗拉强度高，韧性好。又因为Al-M

18、g合金中Mg会在金属表面形成致密的氧化膜，该氧化膜会隔绝外界物质与铸件内部的进一步接触，避免了铸件内部层的氧化，因而该合金具有良好的耐腐蚀性能。众所周知，底盘副车架除受力要求高以外，其服役工况比较恶劣，经常接触水、泥等各种物质，因而要求其具有良好的耐腐蚀性。Al-Mg合金的表面氧化膜特性有利于提高副车架的抗腐蚀性。（a）铸件表层 （b）铸件中心图6 Al-Mg-Si-Mn合金的金相组织3）新型Al-Mg-Si-Mn合金的熔炼处理工艺新型Al-Mg-Si-Mn合金因成分中含有高达5%左右的镁，因而在熔炼时Mg非常容易烧损且易形成氧化渣。这样在生产中一是不容易控制Mg的成分；二是Mg的加入量大，增

19、加生产成本；三是熔炼过程中形成的渣进入铸件将会严重降低铸件的力学性能。因此必须开发新的熔炼处理工艺。 本项目前期采用低SiO2、高Al2O3含量的石墨坩埚炉熔化，石墨坩埚炉浇注的方式进行。虽然该方式解决了增铁、扒渣等问题，但存在熔化时间长，不能满足连续生产的要求，且Mg的氧化烧损大，渣多。中期采用了坩埚炉外加Mg的新工艺，以减少渣及氧化烧损，然而仍然没有解决连续生产的问题。通过充分考虑和研究，本项目决定采用了一种全新的复合式熔炼新工艺，它将连续式熔化炉和间歇式坩埚熔化炉有机地结合起来，充分发挥了两者的优点。该工艺的具体流程：首先连续时熔化炉熔化Al、Si、Mn等合金元素，熔化后浇入转运包中并加Mg；其次在低SiO2、高Al2O3含量的石墨坩埚炉中熔化回炉料，然后将熔化后的回炉料按比例添加到先前的转运包中；随后在转运包中进行精炼、含气量检测，扒渣后倒入机边保温炉中待浇。上述复合式熔炼新工艺的特点：一是降低了常规的反射式熔炉熔化Al-Mg合金时Mg的氧化烧损（仅熔炼Al、Si、Mn、Ti等）。二是采用反射式熔化炉提高了熔化速度，保证了连续生产。三是采用低SiO2含量石墨坩埚熔炼回炉料，降低了Mg的烧损，避免铸铁坩埚易增铁，减少了坩埚内回炉料易形成夹渣的缺点，从源头上保证了回炉料