先进的铸造技术，轻量化汽车应用外文翻译资料

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先进的铸造技术，轻量化汽车应用

* Alan A. Luo，Anil K. Sachdev和Bob R. Powell

（通用汽车全球研究和开发中心，Warren，MI 48090，USA）

摘要：本文概述了轻质汽车应用中铝镁铸件合金的工艺开发。耐磨铝合金，抗蠕变性和高强度/延性镁合金已被开发用于汽车应用。在工艺的前沿，已经开发了真空辅助压铸和高真空压铸技术，用于高度完整的机身和底盘应用。通过用于结构应用的低压压铸工艺生产薄壁和中空铸件。覆盖技术越来越受到重视，并为汽车子系统（如发动机支架和仪表板梁）提供了混合材料设计。开发研究出来用于预测不同组分界面相互作用和阴影体系下结构完整性的模拟工具在铸造试验中得到了验证。

关键词：轻质; 铝合金; 镁合金; 压铸

Dr. Alan Luo

通用汽车全球研究与开发（GM研发部）通用技术研究员，曾居住在美国密歇根州，自1998年以来一直致力于轻质材料。他获得博士学位。1987年，温莎大学（加拿大安大略省温莎市）工程材料研究所，哈尔滨工业大学（哈尔滨，黑龙江，中国）的铸造工程硕士。罗博士拥有8项专利和120多项技术出版物给予他的无条件信任。他获得了通用汽车，ASM，TMS，SAE和AFS等众多技术奖。曾担任TMS镁委员会主席，SAE有色委员会主席等多个专业活动。

铸造是一种非常有效的工艺，用于汽车行业制造轻质铝和镁组件到近净形状。尽管来自这些金属合金的铸件在汽车应用中具有悠久的历史，但是这些铸件的广泛应用仅在20世纪70年代中期开始，主要是由于对更高的车辆燃料经济性的需求增加。减少10％的车辆质量可以将燃油经济性提高8％。根据应用情况，铝铸件与钢相比可提供30％-50％的质量减少，而镁铸件可提供40％-60％的质量减少。最近关于大规模分解内燃（IC）车辆的工作量化了如何进一步提高燃油经济性。本文总结了汽车铝和镁铸件的最新合金和工艺开发。正在开发新的铝和镁合金用于汽车动力总成和其他结构应用。先进的铸造工艺如真空模具,铸造和低压压铸技术已被用于生产高度完整的机身和底盘应用。覆盖技术使汽车子系统的混合材料结构如发动机支架和仪表板梁。

1合金开发

1.1铝合金开发

用于汽车应用的铸造铝合金主要基于Al-Si-Cu系统。两种重力铸造铝合金A319（Al-6％Si-3.5％Cu-1％Fe-1％Zn）和A356（Al-7％Si-0.25％Cu-0.2％Fe-0.4％Mg）占大多数汽车应用，虽然每个车辆制造商都有这些合金的特定版本。类似地，有两种合金广泛用于高压压铸，A380和A383。 A380（Al-8.5％Si-3.5％Cu-3％Zn）用于阀盖，齿轮箱和其他外壳，而A383（Al-10.5％Si-2.5％Cu-3％合金用于活塞和其他苛刻的应用。两种高压压铸合金具有1.3％的Fe，以防止铸件对模具钢的焊接。镁合金不易焊接。

上述常用的Al-Si合金不具有良好的耐磨性。因此，发动机气缸体具有包含耐磨铁衬垫或涂层的孔，以承受移动的活塞和环的严重摩擦。在1960年代，开发了过共晶Al-Si合金以消除对衬垫的需求。 A390（Al-17％Si-4.5％Cu）的特征在于大的初始Si颗粒，其呈现出对环的耐磨表面，让周围的铝被蚀刻以暴露Si颗粒并防止铝和环或活塞之间的接触。存在的主要Si加工铸件困难和昂贵。

在1990年代通用汽车开始发展至近，共晶Al-Si合金将提供具有耐磨性而不依赖于初始Si的耐磨性的加工挑战。从这项工作中可以理解控制显微结构的特征及其性质。 虽然这项工作大部分已经完成，主要有砂铸，金属冷硬合金，最近一个版本的这些合金GM396（Al-12.5％Si-0.95％Cu-1.15％Ni-0.3％Mg）已成功高压压铸在发动机试验中显示出有希望的耐磨性。

1.2镁合金开发

目前有两种主要的合金系统，即Mg-Al-Zn（AZ）和Mg-Al-Mn（AM），用于汽车铸造应用。 AZ91（Mg-9％Al-1％Zn）用于在环境温度下使用的强度有限的非结构部件。这些部件包括支架，盖子，外壳和外壳;它们提供与铝基本相同的功能，大量节省资源。对于结构应用，如仪表板，转向系统和散热器支架，其耐碰撞性很重要，AM50（Mg-

6％Al-0.3％Mn）或AM60（Mg-6％Al-0.3％Mn），与压铸A380合金相比，具有更高的延展性和更高的冲击强度，具有独特的优势。

高强度/延性合金

随着镁合金扩展到更关键的结构应用如Corvette Z06发动机摇篮，还需要开发具有改进的机械性能，特别是疲劳强度和耐冲击性的新型合金。 最近关于Al对Mg的影响的研究表明，Mg-Al-Mn基合金（AM70）中的7％-8％Al之间的范围提供了拉伸性能的最佳平衡（图1）和合理的响应 热处理，还发现锡（Sn）的小添加量（1％-3％）可提高屈服强度（11％-15％）和极限拉伸强度（32％-37％） AM70（Mg-7％Al-0.3％Mn）合金，延展性损失很大。 这是由于Mg2Sn相在这些合金中的强化作用。

图1：Mg-Al-Mn合金在铸态条件下的拉伸性能（重力永久铸模）

（2）抗蠕变合金目前的AZ和AM合金的主要缺点是它们温度在高于125℃时耐蠕变性差不适用于高温应用; 自动变速箱可以在175℃以下运行，发动机可以在高达200℃下运行，发动机活塞更是高达300℃。扩散控制位错爬升和晶界都报道了镁合金的蠕变机理在合金系统的基础上，报道了微结构和压力和温度制度。热稳定性差的Mg17Al12相及其不连续沉淀可能会导致晶界的高速滑动温度。铝溶质的加速扩散，镁基质和镁的自扩散高温也可能导致在Mg-Al基合金中的蠕变变形。能改进镁合金的抗蠕变性的方法包括：

（a）抑制Mg17Al12相的形成;

（b）固定晶界滑动;

（c）在镁基体中降低溶质扩散。

基于上述方法，在过去的十年已经研发了含Ca，Sr，RE和Si的新合金。这些新的耐蠕变镁合金在耐蠕变性和其他属性上有不同程度的改进。添加RE已表明可以减缓蠕变是因为 Al11RE3在微观结构中的形成;但应尽可能控制到尽可能低的成本水平。钙和锶可以显着改善蠕变镁合金是由于在（Mg，Al）2Ca（图2 ）和Mg-Al-Sr金属间相形成的阻力。但是，Ca和Sr的添加需要仔细控制以避免潜在的浇铸性问题，例如模具粘附和开裂。硅添加量低于Mg-Mg2Si共晶点（1.34％Si）提供非常有限的耐蠕变性提高。然而超共晶Mg-Si合金具有潜力高温应用，但其高液相温度使得高压压铸变得困难。

图2：显示（Mg，Al）2Ca的形成的TEM显微照片AX53（Mg-5％Al-3％Ca）合金（高压压铸）

在发现和发展潜在的低成本的历程中，耐蠕变镁合金已经在几个动力总成中得到实际应用; 梅赛德斯7速Tiptronic自动变速箱[14]使用AS31（Mg-3％Si-1％Zn）; 宝马复合发动机块[15]包含过共晶Al-Si合金并在其内部铸造了AJ62（Mg-6％Al-2％Sr）合金。这些应用是高压压铸件。在BMW发动机缸体的铝部分是永久性的模具重力铸造出来的并且包含了头螺栓，耐磨孔，冷却水套管通道和舱壁，因此承载了发动机功能的主要部分。镁外壳为附件提供包装，但是永远不会减少发动机的整体质量。

镁动力总成铸件组件项目是由美国能源部门合作赞助的USCAR（美国汽车研究理事会），由通用，福特和克莱斯勒牵头，旨在用镁替代V型发动机的主要铝组件。使用耐蠕变镁合金的气缸体让全套发动机的质量减少14公斤（8％）（所有铸造铝组件被镁替代为〜29％）。原型发动机包含低压砂铸缸体，Thixo模制后密封载体和高压压铸油底壳和前盖，所有其他部件都从基准铝发动机转移。原型机发动机测试了耐久性。

2铸造工艺开发

高压压铸（HPDC）是用于铸造镁的最常用工艺，因为它在设计和制造方面提供了很大的灵活性。镁合金和铝合金的优异模具填充特性使得大型薄壁和复杂的铸件可以经济地生产，并且已经替代了许多通过焊接冲压件和增强件制造的几个钢材系统。 雪佛兰克尔维特Z06的首款单片镁压铸支架重量只有10.5公斤，比其替代的铝制支架节省了35％的质量。如图3所示。模具填充和凝固的高级模拟已被证明对于大型和小型压铸件的引导设计和过程控制非常有用。

图3：高压压铸高精度模具（Corvette Z06的镁质支架）

尽管其生产率很高，但是常规的轻金属高压压铸最大的缺点是由于在高速注入熔融金属期间包含在铸件中的夹带气体而导致的孔隙率。 薄壁部分（lt;2.5 mm）的孔隙度问题不太严重，其中机械性能主要由铸造表面上的细颗粒无孔提供。 当底盘和车身应用中的刚性和/或耐久性需要较厚的壁时，孔隙度对机械性能（特别是延展性和疲劳强度）的影响变得更严重。 下列替代方法可以生产具有较少孔隙率的铸件，但通常以更高的成本或更低的生产率。

2.1真空压铸

真空压铸是一种创新的过程，其中在注射之前在注射室和模腔中产生的减压在铸造中不留下夹带的空气，并且能够制造具有显着改善的性能的相对较大的薄壁铸件。通过该方法生产的铸件目前的目标是通过热处理来保障压力密封性和良好的机械性能。因此，真空压铸延长了传统压铸的能力，同时保持其经济效益。铝合金的真空压铸在北美非常受欢迎，超过20％的压铸机具有真空压铸能力。

真空辅助压铸在铝的真空压铸中广泛应用，但北美只有一家公司，Gibbs压铸（Henderson，KY）在镁组件的垂直压铸中使用真空。 一个简单的真空系统，如Fondarex真空阀和泵，可用于真空辅助水平压铸工艺，足以减少镁铸件的气孔率。 传统的HPDC零件由于在加热至溶解温度时会发生起泡，处理夹带空气中的孔隙率膨胀，因此不能进行热处理。在真空辅助压铸中，气体孔隙率大大降低，使得这些铸件在没有水泡的情况下进行热处理。图4显示了来自常规和真空辅助压铸工艺的T4溶液热处理铸件的表面。在热处理后在常规压铸件的表面上观察到大量气泡，而在真空辅助铸件的表面上没有观察到起泡。

图 4：T4处理后的铸造表面：（a）常规压铸; （b）真空辅助压铸

1. 高真空压铸

高真空压铸（HVDC）工艺被认为是真空辅助HPDC工艺的增强版本。 HVDC过程的关键特性包括模具和门控设计，强大的真空系统，真空阀门和控制系统，监控系统和压铸过程设置。常规HPDC，真空辅助HPDC和HVDC工艺的主要区别如表1所示。对于铝合金，Alcan的专利高Q-Cast工艺已被用于生产汽车车身部件如B柱。新的铝合金，如AURAL-2和Magsimal 59，已被专门开发用于该工艺，并能够对热处理作出反应，同时还可以减轻在HPDC工艺中观察到的模具粘附问题。最近，为镁合金开发了类似的方法，称为“超真空压铸”（SVDC）。使用AM60B和AZ91D合金制造汽车冲击塔。虽然SVDC提供了有限的屈服强度的提高，主要是通过合金化学和晶粒尺寸确定的; 与常规HPDC铸件相比，这些铸件中低得多的孔隙率显着提高了AZ91D和AM60B合金的延展性和极限拉伸强度（表2）。

表1：常规HPDC，真空辅助HPDC和高/超真空压铸的比较

表2：与类似尺寸的HPDC组件相比，铸态SVDC冲击塔的拉伸性能

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