原標(biāo)題：擠壓鑄造A356.2鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的組織與性能

摘要：以擠壓鑄造A356.2鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為研究對(duì)象，對(duì)支架鑄態(tài)組織、不同固溶時(shí)效熱處理后的顯微組織與力學(xué)性能，以及內(nèi)部缺陷進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)組織由α-Al相和Al-Si共晶組成，晶粒尺寸約為148μm、二次枝晶間距約為20 μm；經(jīng)固溶時(shí)效處理后，共晶Si一部分溶入α-Al相中，一部分以粒狀、球狀形式分布在α-Al晶界；固溶時(shí)間、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)A356.2的力學(xué)性能有一定影響。試樣經(jīng)過(guò)535 ℃6 h固溶+170 ℃6 h時(shí)效+8 min水淬處理后，抗拉強(qiáng)度為340.5 MPa，屈服強(qiáng)度為274.5 MPa，伸長(zhǎng)率為10 %，滿足支架整體力學(xué)性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架是汽車(chē)懸置系統(tǒng)中重要的零部件，它不僅支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，而且傳遞作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的力和力矩，因此，懸置支架需要具有足夠的強(qiáng)度、剛度和使用壽命。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架大多采用球墨鑄鐵鑄造。汽車(chē)輕量化背景下，能否在滿足懸置支架力學(xué)性能要求的前提下，采用質(zhì)量更輕的鋁合金來(lái)代替球墨鑄鐵生產(chǎn)懸置支架是本課題研究的主要目的。若采用其他鑄造工藝生產(chǎn)該零件，鑄件內(nèi)部品質(zhì)以及力學(xué)性能難以保證。本課題主要研究固溶時(shí)效熱處理工藝對(duì)擠壓鑄造A356.2鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架顯微組織與力學(xué)性能的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1、試驗(yàn)方法

約為19 mm，零件熱處理后本體取樣的力學(xué)性能要求：硬度(HB)≥100，抗拉強(qiáng)度≥310 MPa，屈服強(qiáng)度≥250 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥8 %，且鑄件內(nèi)部無(wú)氣孔、縮孔、縮松、夾雜等缺陷。

圖1：鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架實(shí)物圖

1.1、試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為A356.2鋁合金，其成分見(jiàn)表1。合金熔煉過(guò)程中需進(jìn)行除氣、除渣和變質(zhì)處理。采用Sr變質(zhì)處理， Sr含量為0.01%~0.045%。試驗(yàn)中選用宇部HVSC800PL臥式擠壓鑄造機(jī)，沖頭直徑為Φ125mm，將內(nèi)澆口設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架壁厚最大的位置，使金屬液在沖頭作用下反重力充型，見(jiàn)圖2。擠壓鑄造工藝參數(shù)：擠壓比壓為100 MPa，澆注溫度為700 ℃，模具溫度為200 ℃，擠壓速度（沖頭運(yùn)動(dòng)速度）采用分段調(diào)速，即第一段沖頭速度設(shè)置為180 mm/s，第二段沖頭速度設(shè)置為80 mm/s，第三段沖頭速度設(shè)置為50 mm/s，保壓時(shí)間約為75 s。

表1：A356.2鋁合金的化學(xué)成分

圖2：鑄件反重力充型示意圖

1.2、熱處理工藝

擠壓鑄造鋁合金懸置支架采用固溶時(shí)效熱處理。試驗(yàn)選定了4種熱處理方案：方案①：535℃4 h固溶+155 ℃6 h時(shí)效+8 min水淬；方案②：535 ℃4 h固溶+160 ℃7 h時(shí)效+8 min水淬；方案③：535 ℃6 h固溶+ 170 ℃6 h時(shí)效+8 min水淬；方案④：535 ℃6 h固溶+180 ℃6 h時(shí)效+8 min水淬。

1.3、顯微組織分析及內(nèi)部缺陷觀察

顯微組織觀察試樣需經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕，腐蝕后的試樣用無(wú)水酒精清洗干凈，并用冷風(fēng)吹干。腐蝕劑為體積分?jǐn)?shù)為2%的HF溶液。在Leica DFC295光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織形貌。固溶時(shí)效處理的懸置支架內(nèi)部采用X-射線無(wú)損探傷檢測(cè)，觀察其內(nèi)部縮松、縮孔、裂紋等缺陷。對(duì)懸置支架中可能存在的夾雜缺陷，采用顯微鏡對(duì)拉伸試棒斷口進(jìn)行宏觀觀察。

1.4、力學(xué)性能測(cè)試

從熱處理后的支架中隨機(jī)選取試樣進(jìn)行測(cè)試，在支架中間部位選取9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，見(jiàn)圖3。硬度在HBE-300M布氏硬度計(jì)上測(cè)量，載荷為500 kN，加載時(shí)間為25 s，測(cè)量結(jié)果取平均值。在支架本體截取拉伸試棒進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，截取位置分別距離內(nèi)澆口15 mm與55 mm，見(jiàn)圖4。拉伸試棒見(jiàn)圖5。拉伸試驗(yàn)采用三思UTM5105拉伸試驗(yàn)機(jī)，載荷為100 kN，加載速度為1 mm/min。每種熱處理狀態(tài)下同一位置的拉伸試樣取2個(gè)，力學(xué)性能均取2次拉伸的平均值。

圖3：硬度取樣點(diǎn)位置

圖4：拉伸試樣取樣位置示意圖

圖5：拉伸試棒尺寸

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1、顯微組織

圖6為擠壓鑄造A356.2鋁合金的鑄態(tài)顯微組織。其中，灰色的樹(shù)枝晶為α-Al基體，黑色團(tuán)狀區(qū)為Al-Si共晶組織，位于樹(shù)枝晶界，共晶硅呈纖維和短棒狀。由于A356.2合金中鎂含量較低，導(dǎo)致鑄態(tài)組織中Mg2Si相數(shù)量少且較細(xì)，在光學(xué)顯微組織中不容易被發(fā)現(xiàn)。利用ImageJ圖像處理軟件對(duì)擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)組織分析，得出α-Al晶粒尺寸約為148 μm，二次枝晶間距約為20 μm。擠壓鑄造A356.2鋁合金的晶粒尺寸與二次枝晶間距均小于金屬型重力鑄造、低壓鑄造尺寸，是因?yàn)殇X合金液在高壓下成形和凝固，鑄件與模具型壁貼合緊密，冷卻速度加快，晶粒得到明顯細(xì)化。

圖6：擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)顯微組織

圖7為擠壓鑄造A356.2鋁合金固溶時(shí)效處理后的顯微組織。圖7a、圖7b中橢圓形樹(shù)枝狀組織為α-Al基體，樹(shù)枝間隙為共晶組織（α+Si），其中灰色顆粒為共晶Si。對(duì)比鑄造組織可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶熱處理，共晶組織形態(tài)發(fā)生較大變化，是因?yàn)楣簿ЫM織中Si相部分固溶到α-Al相中，導(dǎo)致Si相含量減少。隨著固溶時(shí)間增加，α-Al相由橢圓形向圓形轉(zhuǎn)化，見(jiàn)圖7e、圖7g。從圖7b、圖7d可以看出，當(dāng)固溶時(shí)間為4 h時(shí)，可視區(qū)內(nèi)共晶Si呈離散分布，且顆粒數(shù)量較多；從圖7f、圖7h可以看出，當(dāng)固溶時(shí)間增加到6 h時(shí)，共晶Si數(shù)量減少，且共晶Si尺寸也有一定程度減小，而時(shí)效溫度提高到180 ℃時(shí)，共晶Si數(shù)量明顯減少，Si越來(lái)越孤立且長(zhǎng)大粗化，由粒狀、球狀向片狀轉(zhuǎn)變。

（a，b）535℃4h固溶+155℃6h時(shí)效；（c，d）535℃4h固溶+160℃7h時(shí)效；
（e，f）535℃6h固溶+170℃6h時(shí)效；（g，h）535℃6h固溶+180℃6h時(shí)效；

圖7：不同熱處理方案下擠壓鑄造A356.2鋁合金顯微組織

2.2、力學(xué)性能

不同熱處理試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。可以看出，經(jīng)4種固溶時(shí)效，A356.2鋁合金硬度變化不大，均超過(guò)100HB，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的硬度要求。經(jīng)方案1熱處理后，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為308 MPa，屈服強(qiáng)度為243 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為7%，3項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均不能滿足使用要求。經(jīng)方案2熱處理后，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為312.5 MPa，屈服強(qiáng)度為264 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5.5%，在此方案下，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均超過(guò)使用規(guī)定值，但斷后伸長(zhǎng)率不能滿足使用要求。方案3熱處理下，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為340.5 MPa，屈服強(qiáng)度為274.5 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10%?？梢?jiàn)，試樣經(jīng)方案3熱處理后，試樣的3項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均超過(guò)了使用規(guī)定值，其中抗拉強(qiáng)度超過(guò)30.5 MPa，屈服強(qiáng)度超過(guò)24.5 MPa，斷后伸長(zhǎng)率超過(guò)25%。方案4熱處理下，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為313 MPa，屈服強(qiáng)度為268.5 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5%。在此方案下，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度超過(guò)使用規(guī)定值，但斷后伸長(zhǎng)率不能滿足使用要求。

表2：不同熱處理方案下試樣的力學(xué)性能

從試驗(yàn)結(jié)果看，在固溶溫度（535℃）不變時(shí)，固溶時(shí)間、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)A356.2鋁合金的力學(xué)性能均有一定的影響。固溶時(shí)間過(guò)短，不利于Si、Mg元素在α-Al相中充分?jǐn)U散與溶解，降低固溶強(qiáng)化效果；固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致α-Al相粗化，降低材料的力學(xué)性能。A356.2鋁合金的固溶時(shí)間取6 h比較合理。

鋁合金在時(shí)效處理中顯微組織發(fā)生了α-Al→G.P.區(qū)→β′相→β相的轉(zhuǎn)變過(guò)程，轉(zhuǎn)變過(guò)程中伴隨強(qiáng)化相β′的析出，β′相與α-Al基體保持半共格，使晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，而起到強(qiáng)化作用。如果β′相能充分彌散均勻析出，可使強(qiáng)化效果達(dá)到最佳。當(dāng)時(shí)效過(guò)程進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，β′相將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的β相。β相與α-Al基體是非共格關(guān)系，對(duì)基體的強(qiáng)化作用較弱，如果在時(shí)效處理過(guò)程中，β相發(fā)生粗化，對(duì)基體的強(qiáng)化作用將更差。因此，時(shí)效處理時(shí)，需要合理設(shè)置時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間，以控制強(qiáng)化相的析出。時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間主要影響共晶硅顆粒以及強(qiáng)化相的形態(tài)和分布。方案4與方案3相比較，將時(shí)效溫度由170 ℃提高到180 ℃，試樣的力學(xué)性能均出現(xiàn)明顯下降，尤其伸長(zhǎng)率降低50%。這是因?yàn)椋瑫r(shí)效溫度提高后，共晶Si出現(xiàn)一定程度的粗化，且顆粒圓度得不到保證，從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。

2.3、內(nèi)部缺陷

對(duì)懸置支架中可能存在的縮孔、縮松以及氣孔缺陷，采用X射線進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。可以看出，鑄件未發(fā)現(xiàn)明顯的黑點(diǎn)、顯微縮孔以及樹(shù)枝狀的暗區(qū)，支架內(nèi)部品質(zhì)良好，縮孔、氣孔≤ASTM（美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）E115一級(jí)，滿足產(chǎn)品使用要求。試驗(yàn)中，將內(nèi)澆口設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架壁厚最大的位置，且鋁合金液在沖頭作用下反重力充型，可以方便支架排氣、凝固補(bǔ)縮，對(duì)減少或消除支架中氣孔、縮孔、縮松等缺陷是有利的

圖8：X射線探傷檢測(cè)

圖9為部分拉伸試棒的宏觀斷口形貌。可以看出，試棒中存在著不同程度的夾雜物（圖中a、b處），夾雜物的存在會(huì)影響鑄件的力學(xué)性能。鋁合金鑄件中常見(jiàn)的夾雜物缺陷主要有氧化物夾雜以及熔煉劑夾渣等，需要根據(jù)具體生產(chǎn)情況分析夾雜物可能產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的解決辦法如。比如，夾雜物如果是氧化夾雜，應(yīng)在鋁液表面加覆蓋劑，以及定時(shí)進(jìn)行扒渣，及時(shí)去除熔液表面氧化物；如果夾雜物是因?yàn)槊撃┘叭蹮拕┗烊胍鸬?，則應(yīng)控制脫模劑與熔煉劑用量，并每隔一段時(shí)間對(duì)模具進(jìn)行清理。

圖9：拉伸試棒宏觀斷口

3、結(jié)論

（1）擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)組織由α-Al相和Al-Si共晶組成，晶粒尺寸與二次枝晶間距均小于金屬型重力鑄造、低壓鑄造尺寸；經(jīng)固溶時(shí)效處理后，共晶Si以粒狀、球狀形式分布在α-Al晶界。

（2）A356.2鋁合金懸置支架合理的熱處理方案為：535 ℃6 h固溶+170 ℃6 h時(shí)效+8 min水淬，熱處理后其抗拉強(qiáng)度為340.5 MPa，屈服強(qiáng)度為274.5 MPa，伸長(zhǎng)率為10%，滿足支架整體力學(xué)性能要求。

（3）將內(nèi)澆口設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架壁厚最大的位置，且采用反重力充型的擠壓鑄造工藝，可以減少或消除支架中氣孔、縮孔、縮松等缺陷。

作者：
陳云 汪銳 鄧森 劉可佳
武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

夏望紅
廣州金邦液態(tài)模鍛技術(shù)有限公司

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第02期