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低壓鑄造鋁合金后副車架的組織與性能研究
發布日期:2019-11-14  作者:張明珠  瀏覽次數:257
核心提示:圖1 ZL101A-T6鋁合金后副車架數模圖隨著全球對環境污染問題的日益重視,汽車企業紛紛圍繞輕量化開展新材料新技術的研發工作,汽
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圖1 ZL101A-T6鋁合金后副車架數模圖

隨著全球對環境污染問題的日益重視,汽車企業紛紛圍繞輕量化開展新材料新技術的研發工作,汽車輕量化已成為發展的重要方向。研究表明,汽車能耗有60%來自汽車的自重,當汽車裝備質量每減重10%,相應的油耗可降低6%~8%。同時,輕量化還可以一定程度上提高汽車制動性能,使汽車成為更安全、舒適、環保的交通工具。鋁合金材料由于具有質量輕、比強度高、易加工、耐腐蝕性能好等特點,成為當今汽車輕量化的首選材料。

后副車架作為汽車底盤結構的關鍵件,起到支承前后車橋、懸掛的作用,可顯著提升駕駛操控性、乘坐安全性及舒適性,同時,后副車架自身質量的減輕能夠增強整車的承載性能,在提高汽車的操縱穩定性方面具有重要的意義,因此,后副車架材料的選用對整車性能提升十分重要。國內傳統的后副車架材質多為鋼板,僅少量車型采用鋁合金副車架。

眾泰汽車某車型后副車架結構見圖1,采用鋁合金材料,通過合理的結構設計與系統的工藝流程,使用低壓一體鑄造成形,獲得滿足強度及耐久性能要求的后副車架,提高整車的輕量化水平。該后副車架外形尺寸為1 165 mm×798 mm×396 mm,平均壁厚為5 mm,質量為30.5 kg,屬于高強度、高韌性、耐腐蝕的大型復雜薄壁零件,與鋼制件相比可實現減重10.1 kg,減重比約為33 %。

鑄造鋁合金的力學性能取決于第二相的特性、分布及缺陷的性質、數量和尺寸等。微觀缺陷是鋁合金斷裂的裂紋源,對力學性能影響較大。因此,有必要針對該款已成功應用的低壓鑄造鋁合金后副車架進行顯微組織及力學性能分析。

一、試驗

1、試驗材料

試驗合金為ZL101A鋁合金,采用低壓一體鑄造工藝成形,經T6溫度熱處理獲得,材料的化學成分見表1。

表1 后副車架化學成分  wb/%

試驗用樣塊在鋁合金后副車架本體上取樣,取樣位置為零件高應力風險處,見圖1中A、B處,按照GB/T 228.1-2010標準將其加工成拉伸試樣,拉伸試樣尺寸加工圖見圖2。

圖2拉伸試片加工尺寸圖

2、試驗方法

切取小塊試樣,打磨拋光后,在體積分數為10%(質量分數)的NaOH溶液中腐蝕90 s左右,分別采用OLYMPUS GX51光學顯微鏡(OM)和HITACHI SUI510掃描電鏡(SEM)對試樣進行表面形貌及相分布表征,并采用X射線能量色散譜儀(EDS)進行元素檢測,分析析出相和第二相粒子的化學成分。從拉伸斷裂試樣上截取斷口,高度為5 mm 左右,切割時用薄膜保護斷口不被污染,切下后浸于丙酮溶液中,使用超聲波清洗,處理后用SEM觀察斷口的表面形貌及特征;采用MTS E45.305電子萬能試驗機測試力學性能,拉伸速度為2 mm/min,利用引伸計測定拉伸試樣的屈服強度;采用華銀200HVS-5布氏硬度計進行材料硬度測定;利用四通道臺架疲勞測試系統進行模擬試驗,試驗頻率為1.5 Hz。

二、試驗結果與分析

1、微觀組織觀察

圖3為ZL101A-T6的金相組織圖。可以看出,初生α-Al相呈枝晶狀分布,枝晶尺寸細小,枝晶間距短。因界面處易于成核長大,枝晶臂之間存在彌散分布的第二相,析出相多呈顆粒狀(如箭頭A所示),直徑約為5 um。由Al-Mg-Si三元相圖可知,ZL101A合金為亞共晶鋁合金,其平衡組織為初生α-Al+共晶(α-Al+Si)+Mg2Si,因此可以初步判定枝晶臂間的析出相為共晶(α-Al+Si),為進一步確定析出相的成分,借助SEM和EDS對其進行點元素分析,檢測結果見圖4和表2。

圖3 ZL101A-T6鋁合金的金相組織圖

由圖4可以看出,ZL101A-T6態材料的枝晶臂間析出相分為呈橢圓狀的灰色顆粒和呈骨骼狀的亮白色顆粒兩種。結合表2中1、2、3處的元素分析結果可知,灰色顆粒的元素組成為Si和Al,即灰色顆粒為共晶硅相。PENG J等研究指出,共晶硅顆粒在基體中的分布及形狀對鑄造鋁合金的力學性能有重要影響,均勻分布的細小球狀硅顆粒可以提高該合金的拉伸及疲勞性能。針狀共晶硅顆粒不利于合金的力學性能,實際生產中,通過變質處理,長條狀的共晶硅相被打斷使硅顆粒得到細化,可獲得性能更佳的材料。

圖4 ZL101A-T6鋁合金的SEM圖

由表2中4、5、6處的元素分析結果可知,亮白色顆粒相的元素組成為Si、Al和Fe,即亮白色顆粒為含鐵化合物。有研究指出,鑄態AlSi7Mg鋁合金中的Fe基金屬間化合物主要是由鑄造過程中引入的雜質Fe帶來的,鐵基金屬間化合物主要為β相(Al5FeSi),也有少量的π相(Al9FeMg3Si5) 。結合表2中4、5、6處的元素質量分數可判定,鑄態組織中的亮白色顆粒為β相(Al5FeSi),它們的存在割裂了金屬基體的連續性,對材料力學性能不利,應盡量避免。

表2 圖4b標注點的EDS分析結果

圖5是ZL101A-T6試樣的面掃描分布圖。可以看出,Si元素在枝晶間分布,與點元素檢測的分析結果一致。少數Fe元素分布在鋁基體內,且與亮白色Fe基化合物的位置相對應,進一步驗證點元素分析的準確性。Mg元素均勻分布在樹枝狀α-Al基體和共晶區內,由于ZL101A-T6鋁合金屬于可時效熱處理強化鋁合金,其微觀組織存在長度約為0.5 µm,寬度小于50 nm的Mg2Si相,這種時效析出相會顯著提高合金的強度。

圖5 ZL101A-T6鋁合金的面掃元素分布圖

2、力學性能分析

在室溫條件下對鑄造ZL101A-T6鋁合金進行拉伸試驗,取4組試樣,試驗結果見表3。可以看出,材料的力學性能檢測結果較穩定,平均抗拉強度為304 MPa,平均屈服強度為245 MPa,平均伸長率為8.2%,平均布氏硬度為99HB,滿足設計要求。

表3 ZL101A-T6的室溫拉伸性能

3、斷口分析

ZL101A-T6材料的室溫拉伸斷口形貌見圖6。可以看出,斷口表面分布有大量的等軸韌窩,此外,局部區域存在較為平坦的小平面(箭頭A所指)。由于α-Al鋁基體是面心立方結構,基本上不存在解理斷裂,因此可判斷這些小平面為準解理面。綜上,可判斷零件斷裂方式為韌脆混合型斷裂。

圖6 ZL101A-T6鋁合金拉伸斷口形貌

4、耐久性臺架試驗

利用四通道臺架疲勞測試系統對后副車架零件進行模擬試驗,經歷30萬次試驗后,產品表面無任何裂紋等缺陷,順利通過耐久性臺架試驗。表明低壓鑄造后副車架性能滿足設計要求,提高了底盤輕量化水平。

5、整車道路耐久試驗

后副車架搭載整車,在鹽城試驗場內進行3萬km的綜合耐久試驗,驗證后副車架零件的耐久性能。結果表明,后副車架性能滿足標準要求。

三、結論

(1)低壓鑄造鋁合金后副車架在T6態下力學性能優良,平均抗拉強度為304 MPa,平均屈服強度為245 MPa,平均伸長率為8.2 %,平均硬度為(HBW)為99HB,滿足副車架設計要求。

(2)低壓鑄造鋁合金后副車架外觀無明顯缺陷,內部組織致密,共晶Si呈灰色橢圓狀分布在α-Al基體上,少量亮白色鐵基化合物成骨架狀分布在晶界處。

(3)ZL101A-T6材料拉伸斷口表面分布有大量的等軸韌窩及少量準解理面,斷裂方式為韌脆混合型斷裂。

(4)低壓鑄造鋁合金后副車架順利通過耐久性臺架試驗及整車道路耐久試驗,性能滿足設計要求。

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