一種鋁合金汽車底盤鑄件金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采用低壓鑄造工藝制作鋁合金汽車底盤鑄件的方法，更特別地說，是一種按照特征部位A的凝固結束時間，把結晶增壓劃分為兩個階段增大結晶增壓壓力的、制備鋁合金汽車底盤鑄件的、金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著汽車輕量化要求的提高，鋁合金結構件在汽車上的應用越來越廣泛。以底盤懸架系統為例，鋁合金前/后轉向節應用比例已接近50%，擺臂、控制臂類零件的鋁合金應用比例也達到30%左右。1995年，寶馬5系車就采用了全鋁懸架，使懸掛系統質量減輕了 15%;前橋、后橋采用了鋁合金，減重65kg。中高端車型更多的應用鋁合金零件，而在低端車型上應用鋁合金材料由于價格原因受到很大限制。降低成本成為汽車鋁合金零件生產企業努力的方向。
[0003]鑄造成型鋁合金汽車底盤構件的常用材料為A356和A380等，常用的鑄造工藝有重力金屬型鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造、差壓鑄造、高真空壓鑄和半固態鑄造等。差壓鑄造工藝較多用于生產轉向節、控制臂等外形復雜、截面變化大、不能產生縮孔縮松等鑄造缺陷的高品質鑄件。
[0004]差壓鑄造和低壓鑄造的共同特點在于:(I)充型速度可控，金屬液流動平穩、減少了二次夾雜；(2)鑄件在壓力下凝固，補縮效果好、組織致密，致密度和力學性能顯著提高。其差別在于:差壓鑄造有上下兩個壓力罐，下壓力罐為保溫爐和鋁液坩禍，上壓力罐為鑄型(砂型或金屬型模具)，而低壓鑄造僅有一個下壓力罐，鑄型直接暴露在大氣中。與低壓鑄造相比，差壓鑄造鑄件在較大的壓力環境下結晶凝固，組織更加致密，但差壓鑄造的上下罐結構帶來的操作不便，以及更復雜的結構和控制系統帶來的設備價格增加，導致差壓鑄造的應用遠不及低壓鑄造普及。
[0005]低壓鑄造工藝過程可用作用在金屬液表面的壓力-時間曲線來反應。典型的壓力(壓差)_時間曲線包括升液階段、充型階段、結殼增壓階段、結殼保壓階段、結晶增壓階段、結晶保壓階段以及卸壓階段等七個不同工藝階段。金屬型低壓鑄造一般省去結殼階段，因此，金屬型低壓鑄造工藝過程為:升液、充型、結晶增壓、結晶保壓和卸壓五個階段。
[0006]結晶增壓壓力直接影響了凝固補縮效果，結晶增壓壓力越高，凝固補縮效果越好，越有利于消除縮孔縮松等缺陷，提高組織致密度。低壓鑄造的結晶增壓壓力一般為50?80kPa，特殊條件下增大到80?150kPa。
[0007]對于鋁合金金屬型低壓鑄造，實際生產中考慮到鑄型合模力的限制以及模具間縫隙帶來的鋁液溢出飛濺、鑄件飛邊毛刺等問題，限制了通過提高結晶增壓壓力進一步提高鑄件組織致密度和力學性能的可行性。
【發明內容】
[0008]針對現有轉向節、控制臂、副車架等復雜形狀、變截面鋁合金汽車底盤鑄件金屬型低壓鑄造成型實現高結晶增壓壓力的問題，結合該類鑄件的結構特點和順序凝固工藝要求，提出一種按照特征部位A的凝固結束時間，把結晶增壓劃分為兩個階段增大結晶增壓壓力的金屬型低壓鑄造成型用加壓方法，以進一步減少縮孔縮松等鑄造缺陷、提高鑄件組織致密度和力學性能。
[0009]本發明的一種金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法，所述金屬型低壓鑄造至少包括有升液階段、充型階段、結晶增壓階段、結晶保壓階段和卸壓階段;其特征在于:根據鑄件結構特點和凝固順序，設定多個特征部位，所述特征可以是特征部位A、特征部位B、特征部位C、特征部位D;
[0010]根據各特征部位的凝固順序，設定結晶增壓壓力:根據特征部位A凝固結束時間，把結晶增壓劃分為兩個階段;第一階段:充型結束至特征部位A凝固結束階段，結晶增壓壓力增大到80?150kPa;第二階段:特征部位A凝固結束后，結晶增壓壓力快速增大到160?100kPa，增壓速度為10?40kPa/s。
[0011 ]所述結晶增壓階段的步驟為:
[0012](A)充型階段結束，開始增大結晶增壓壓力；
[0013](B)特征部位A凝固結束時，結晶增壓壓力增大到80?150kPa;
[0014](C)特征部位A凝固結束后，以10?40kPa/s的速度增大結晶保壓壓力到160?lOOOkPa，然后進入結晶保壓階段。
[0015]本發明的一種金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法制備鋁合金汽車底盤鑄件，其特征在于有下列步驟:
[0016]步驟一，升液階段；
[0017]調節升液階段的壓力為15?21kPa，升液速度為1.8?2.0kPa/s;
[0018]步驟二，充型階段；
[0019]調節充型階段的充型壓力為25?35kPa，充型速度為0.4?1.0kPa/s，使鋁液從澆口進入型腔，直至將型腔全部充滿；
[0020]步驟三，結晶增壓階段；
[0021]經步驟二后使鋁液完全充滿鑄型后，進入結晶增壓階段:
[0022](A)充型階段結束，開始增大結晶增壓壓力；
[0023 ] (B)特征部位A凝固結束時，結晶增壓壓力增大到80?150kPa;
[0024](C)特征部位A凝固結束后，以10?40kPa/s的速度增大結晶保壓壓力到160?100kPa;
[0025]步驟四，結晶保壓階段；
[0026]在壓力達到160?100kPa后，進入結晶保壓階段；
[0027](A)特征部位B凝固結束；
[0028](B)特征部位C凝固結束；
[0029](C)特征部位D凝固結束后，繼續保壓10?60s;
[0030]步驟五，卸壓放氣階段；
[0031]經步驟四后，待鋁合金汽車底盤鑄件凝固完畢，解除保溫爐內的氣體壓力，使升液管和澆道口未凝固的鋁液流回到保溫爐中。
[0032]本發明的一種制備鋁合金汽車底盤鑄件的金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法優點在于:
[0033](I)采用本發明方法制備A356鋁合金汽車底盤鑄件，凝固補縮效果顯著提高。與現有低壓鑄造加壓方法相比，在模具結構和合模力不變的情況下，可以提高抗拉強度10?50 %，提高延伸率25?50 %。顯著減低了對模具結構和鑄型合模力的要求，同時避免了鋁液溢出飛濺、鑄件飛邊毛刺等缺陷。
[0034](2)采用本發明方法制備復雜形狀、變壁厚的高品質鋁合金鑄件，可以實現差壓鑄造的致密度和力學性能指標，同時避免了差壓鑄造的上下罐結構帶來的操作不便，以及更復雜的結構和控制系統帶來的設備價格增加等問題，可以更好的適應汽車底盤構件等鋁合金鑄件低成本大批量生產要求。
【附圖說明】
[0035]圖1A是汽車后轉向節的結構特征示意圖。
[0036]圖1B是實施例1的結晶增壓方式的壓力一時間曲線圖。
[0037]圖2A是汽車用控制臂的結構特征示意圖。
[0038]圖2B是實施例2的結晶增壓方式的壓力一時間曲線圖。
[0039]圖3是實施例3的結晶增壓方式的壓力一時間曲線圖。
【具體實施方式】
[0040]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0041]針對轉向節、控制臂、副車架等鋁合金汽車底盤鑄件外形復雜、截面變化大等特點，差壓鑄造或低壓鑄造時通常采用順序凝固原則，既澆口(升液管)放在厚大部位處，充型過程中，高溫鋁液自澆口流出充滿鑄件，最后到達遠離澆口的較薄部位;凝固過程中，遠離澆口的較薄部位先凝固，然后逐漸向澆口部位順序凝固，以實現良好的補縮效果。
[0042]在本發明中，根據鑄件結構特點和凝固順序，設定多個特征部位，即選擇距離澆口最遠的端部薄壁處為特征部位A，選擇距離澆口次遠的壁厚突變處為特征部位B，選擇距離澆口較近的壁厚突變處為特征部位C，選擇澆口中心為特征部位D。
[0043]本發明提出的是一種按照特征部位A凝固結束時間分階段增大結晶增壓壓力的金屬型低壓鑄造方法來制備鋁合金汽車底盤鑄件(即一種鋁合金汽車底盤鑄件金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法)，本發明方法包括有:升液階段、充型階段、結晶增壓階段、結晶保壓階段、結晶保壓后順序增壓階段和卸壓放氣階段。具體地說:
[0044]步驟一，升液階段；
[0045]調節升液階段的壓力為15?21kPa，升液速度為1.8?2.0kPa/s;
[0046]將15?21kPa的壓縮空氣通入密封的保溫爐中，鋁液在壓力的作用下沿升液管平穩上升至鑄型澆口處，并流入鑄型中；
[0047]步驟二，充型階段；
[0048]調節充型階段的充型壓力為25?35kPa，充型速度為0.4?1.0kPa/s，使鋁液從澆口進入型腔，直至將型腔全部充滿；
[0049]步驟三，結晶增壓階段；
[0050]經步驟二后使鋁液完全充滿鑄型后，進入結晶增壓階段:
[0051](A)充型階段結束，開始增大結晶增壓壓力；
[0052 ] (B)特征部位A凝固結束時，結晶增壓壓力增大到80?150kPa;
[0053](C)特征部位A凝固結束后，以10?40kPa/s的速度增大結晶保壓壓力到160?100kPa;
[0054]步驟四，結晶保壓階段；
[0055]在壓力達到160?100kPa后，進入結晶保壓階段；
[0056](A)特征部位B凝固結束；
[0057](B)特征部位C凝固結束；
[0058](C)特征部位D凝固結束后，繼續保壓10?60s;
[0059]步驟五，卸壓放氣階段；
[0060]經步驟四后，待鋁合金汽車底盤鑄件凝固完畢，解除保溫爐內的氣體壓力，使升液管和澆道口未凝固的鋁液流回到保溫爐中。
[0061 ] 實施例1
[0062]汽車后轉向節，A356合金，重2.81^。澆注溫度為710°(:，模具材質!113鋼，模具初始溫度為350°C，冷卻方式為9路水冷與3路風冷組合。轉向節構形及特征部位如圖1A所示。圖1A的結構參考現代制造工程2014年第4期《汽車后轉向節輕量化設計與試驗驗證》，作者張琦等。
[0063]參見圖1B所示的結晶增壓方式的壓力一時間曲線圖，采用金屬型低壓鑄造成型用結晶增壓方法制備鋁合金汽車底盤鑄件的步驟有:
[0064]步驟一，升液階段；
[0065]在升液壓力為19kPa、升液速度為1.9kPa/s的條件下，鋁液沿升液管平穩上升至鑄型澆口處，并流入鑄型中；
[0066]步驟二，充型階段；
[0067]在充型壓力為27kPa、充型速度為0.5kPa/s的條件下，鋁液從澆口充入型腔，直至型腔全部充滿；
[0068]步驟三，結晶增壓階段；
[0069]在本發明中，改進的結晶增壓壓力一時間曲線如圖1B所示。
[0070](A)充型階段結束，開始增大結晶增壓壓力；
[0071](B)至特征部位A在充型后16s后凝固時，結晶增壓壓力增大到120kPa;
[0072](C)特征部位A在充型后16s后凝固結束后，以24kPa/s的速度增大結晶保壓壓力到240kPa；
[0073]步驟四，結晶保