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低压铸造铝合金后副车架的组织与性能研究

发布时间:2020-03-25作者:jacky点击数:()
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图1 ZL101A-T6铝合金后副车架数模图

随着全球对环境污染问题的日益重视,汽车企业纷纷围绕轻量化开展新材料新技术的研发工作,汽车轻量化已成为发展的重要方向。研究表明,汽车能耗有60%来自汽车的自重,当汽车装备质量每减重10%,相应的油耗可降低6%~8%。同时,轻量化还可以一定程度上提高汽车制动性能,使汽车成为更安全、舒适、环保的交通工具。铝合金材料由于具有质量轻、比强度高、易加工、耐腐蚀性能好等特点,成为当今汽车轻量化的首选材料。

后副车架作为汽车底盘结构的关键件,起到支承前后车桥、悬挂的作用,可显著提升驾驶操控性、乘坐安全性及舒适性,同时,后副车架自身质量的减轻能够增强整车的承载性能,在提高汽车的操纵稳定性方面具有重要的意义,因此,后副车架材料的选用对整车性能提升十分重要。国内传统的后副车架材质多为钢板,仅少量车型采用铝合金副车架。

众泰汽车某车型后副车架结构见图1,采用铝合金材料,通过合理的结构设计与系统的工艺流程,使用低压一体铸造成形,获得满足强度及耐久性能要求的后副车架,提高整车的轻量化水平。该后副车架外形尺寸为1 165 mm×798 mm×396 mm,平均壁厚为5 mm,质量为30.5 kg,属于高强度、高韧性、耐腐蚀的大型复杂薄壁零件,与钢制件相比可实现减重10.1 kg,减重比约为33 %。

铸造铝合金的力学性能取决于第二相的特性、分布及缺陷的性质、数量和尺寸等。微观缺陷是铝合金断裂的裂纹源,对力学性能影响较大。因此,有必要针对该款已成功应用的低压铸造铝合金后副车架进行显微组织及力学性能分析。

一、试验

1、试验材料

试验合金为ZL101A铝合金,采用低压一体铸造工艺成形,经T6温度热处理获得,材料的化学成分见表1。

表1 后副车架化学成分  wb/%

试验用样块在铝合金后副车架本体上取样,取样位置为零件高应力风险处,见图1中A、B处,按照GB/T 228.1-2010标准将其加工成拉伸试样,拉伸试样尺寸加工图见图2。

图2拉伸试片加工尺寸图

2、试验方法

切取小块试样,打磨抛光后,在体积分数为10%(质量分数)的NaOH溶液中腐蚀90 s左右,分别采用OLYMPUS GX51光学显微镜(OM)和HITACHI SUI510扫描电镜(SEM)对试样进行表面形貌及相分布表征,并采用X射线能量色散谱仪(EDS)进行元素检测,分析析出相和第二相粒子的化学成分。从拉伸断裂试样上截取断口,高度为5 mm 左右,切割时用薄膜保护断口不被污染,切下后浸于丙酮溶液中,使用超声波清洗,处理后用SEM观察断口的表面形貌及特征;采用MTS E45.305电子万能试验机测试力学性能,拉伸速度为2 mm/min,利用引伸计测定拉伸试样的屈服强度;采用华银200HVS-5布氏硬度计进行材料硬度测定;利用四通道台架疲劳测试系统进行模拟试验,试验频率为1.5 Hz。

二、试验结果与分析

1、微观组织观察

图3为ZL101A-T6的金相组织图。可以看出,初生α-Al相呈枝晶状分布,枝晶尺寸细小,枝晶间距短。因界面处易于成核长大,枝晶臂之间存在弥散分布的第二相,析出相多呈颗粒状(如箭头A所示),直径约为5 um。由Al-Mg-Si三元相图可知,ZL101A合金为亚共晶铝合金,其平衡组织为初生α-Al+共晶(α-Al+Si)+Mg2Si,因此可以初步判定枝晶臂间的析出相为共晶(α-Al+Si),为进一步确定析出相的成分,借助SEM和EDS对其进行点元素分析,检测结果见图4和表2。

图3 ZL101A-T6铝合金的金相组织图

由图4可以看出,ZL101A-T6态材料的枝晶臂间析出相分为呈椭圆状的灰色颗粒和呈骨骼状的亮白色颗粒两种。结合表2中1、2、3处的元素分析结果可知,灰色颗粒的元素组成为Si和Al,即灰色颗粒为共晶硅相。PENG J等研究指出,共晶硅颗粒在基体中的分布及形状对铸造铝合金的力学性能有重要影响,均匀分布的细小球状硅颗粒可以提高该合金的拉伸及疲劳性能。针状共晶硅颗粒不利于合金的力学性能,实际生产中,通过变质处理,长条状的共晶硅相被打断使硅颗粒得到细化,可获得性能更佳的材料。

图4 ZL101A-T6铝合金的SEM图

由表2中4、5、6处的元素分析结果可知,亮白色颗粒相的元素组成为Si、Al和Fe,即亮白色颗粒为含铁化合物。有研究指出,铸态AlSi7Mg铝合金中的Fe基金属间化合物主要是由铸造过程中引入的杂质Fe带来的,铁基金属间化合物主要为β相(Al5FeSi),也有少量的π相(Al9FeMg3Si5) 。结合表2中4、5、6处的元素质量分数可判定,铸态组织中的亮白色颗粒为β相(Al5FeSi),它们的存在割裂了金属基体的连续性,对材料力学性能不利,应尽量避免。

表2 图4b标注点的EDS分析结果

图5是ZL101A-T6试样的面扫描分布图。可以看出,Si元素在枝晶间分布,与点元素检测的分析结果一致。少数Fe元素分布在铝基体内,且与亮白色Fe基化合物的位置相对应,进一步验证点元素分析的准确性。Mg元素均匀分布在树枝状α-Al基体和共晶区内,由于ZL101A-T6铝合金属于可时效热处理强化铝合金,其微观组织存在长度约为0.5 µm,宽度小于50 nm的Mg2Si相,这种时效析出相会显著提高合金的强度。

图5 ZL101A-T6铝合金的面扫元素分布图

2、力学性能分析

在室温条件下对铸造ZL101A-T6铝合金进行拉伸试验,取4组试样,试验结果见表3。可以看出,材料的力学性能检测结果较稳定,平均抗拉强度为304 MPa,平均屈服强度为245 MPa,平均伸长率为8.2%,平均布氏硬度为99HB,满足设计要求。

表3 ZL101A-T6的室温拉伸性能

3、断口分析

ZL101A-T6材料的室温拉伸断口形貌见图6。可以看出,断口表面分布有大量的等轴韧窝,此外,局部区域存在较为平坦的小平面(箭头A所指)。由于α-Al铝基体是面心立方结构,基本上不存在解理断裂,因此可判断这些小平面为准解理面。综上,可判断零件断裂方式为韧脆混合型断裂。

图6 ZL101A-T6铝合金拉伸断口形貌

4、耐久性台架试验

利用四通道台架疲劳测试系统对后副车架零件进行模拟试验,经历30万次试验后,产品表面无任何裂纹等缺陷,顺利通过耐久性台架试验。表明低压铸造后副车架性能满足设计要求,提高了底盘轻量化水平。

5、整车道路耐久试验

后副车架搭载整车,在盐城试验场内进行3万km的综合耐久试验,验证后副车架零件的耐久性能。结果表明,后副车架性能满足标准要求。

三、结论

(1)低压铸造铝合金后副车架在T6态下力学性能优良,平均抗拉强度为304 MPa,平均屈服强度为245 MPa,平均伸长率为8.2 %,平均硬度为(HBW)为99HB,满足副车架设计要求。

(2)低压铸造铝合金后副车架外观无明显缺陷,内部组织致密,共晶Si呈灰色椭圆状分布在α-Al基体上,少量亮白色铁基化合物成骨架状分布在晶界处。

(3)ZL101A-T6材料拉伸断口表面分布有大量的等轴韧窝及少量准解理面,断裂方式为韧脆混合型断裂。

(4)低压铸造铝合金后副车架顺利通过耐久性台架试验及整车道路耐久试验,性能满足设计要求。



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