汽车轻量化构件压铸材料与工艺开发介绍

汽车轻量化构件压铸材料与工艺开发介绍 目录 一、汽车轻量化概述 二、典型汽车结构件-减震塔和副车架 三、上XX大学的轻量化结构件开发 四、小结与展望 2 一、汽车轻量化概述 轻量化是解决能源和环保等全球性问题的必然选择 汽车轻量化概述 X迪A8全铝车身（红色部分为压铸薄壁铝合金铸件） 世界主流汽车厂的轻量化战略，为大规模使用轻合金提供契机 通X汽车轻量化战略：多元化材料体系 轻量化的实现：轻量化的材料选用+轻量化集成设计+能够实现材料与设计相结合的新工艺。材料是基础、设计是根本、工艺是保障。 6件，7Kg 凯X拉克的铰链柱，由ATS的25件冲压焊接件CT6的2件集成压铸件，减重40%以上，同时提高了全铝车身刚度 减重50%！ 1件，3.4Kg 宝X5系和X迪A7的减震塔由6件钢制冲压焊接件1件铝合金压铸件 多元化材料体系汽车轻量化的主流趋势： “集成设计、以铸代锻、轻量化材料合理使用” 汽车轻量化vs铝/镁合金 对铝/镁合金轻量化应用的认识 在多元材料设计体系下： 1、合理的使用各种材料才能有效实现轻量化 2、铝/镁合金在多种汽车关键结构件上的应用呈逐渐增长趋势3、由于可实现集成设计、简化制造工序、零件整体性能均衡化的优势，铸造工艺正在成为轻合金汽车结构件的主流制造方法 二、轻量化典型结构件——减震塔和副车架 1、减震塔 减震塔零件料厚一般为2.0~5.0mm，根据受载情况有所差异，对铝合金材料性能要求一般为 σ0.2≥120MPa，δ≥10%； 减震塔顶部承受减震器传递过来的载荷，局部料厚达5.0mm，并且需要较多的加强筋结构加强； 钢铝混合连接区域，为平衡连接工艺和连接强度厚度一般在2.5~3.0mm，并分布加强筋结构； 其他区域零件厚度一般设计为2.0mm，并设计加强筋结构提高其强度； 成型工艺一般为高真空压铸。 减 与钢板连接的面 震塔顶部 铝合金减震塔 •BMW车型铝合金减震塔结构 材料： AlSi10MnMg(Sf-36) 工艺：高真空压铸 +T7热处理 铝合金减振塔 •AUDI车型铝合金减震塔结构 材料：AlSi10MnMg(Sf-36)，工艺：高真空压铸+T7热处理 铝合金减振塔 •凯XX克车型铝合金减震塔结构 材料：AlSi7MnMg，工艺：高真空压铸+T6热处理 铝合金减振塔 •捷X车型铝合金减震塔结构 材料：AlSi9MnMoZr(Cas-37)，工艺：真空辅助压铸+T6热处理 铝合金减振塔 •保X捷车型铝合金减震塔结构 材料：AlSi5Mg2Mn(Mag-59)，工艺：高真空压铸+非热处理 2、副车架 •福XP2000铝合金复合车架，由2个铸件、1个液压胀型管和8个冲压件组成。重量由钢件的21.7公斤降低到14.4公斤，零件数从21个减少到11个。 铝合金低压铸造车架（开放式结构） 通X汽车CorvetteGMX245前副车架，低压金属型铸造，A356.1-T6，920mm×600mm×200mm 铝合金真空压铸副车架 •X驰C级车铸铝合金副车架，采用Silafont-36铝合金真空压铸成型，时效热处理强化，尺寸920*580*170mm，总重量10公斤。 ng 铝合金真空辅助低压铸造车架（空心结构） 16 材料：A356 重量：16公斤尺寸：920×550×254毫米工艺：Pressureriserlesscasti壁厚：4~5毫米 铸件+型材焊接副车架 管材+铸件焊接的副车架结构，一方面可有效减重，另一方面可降低空心结构的铸造难度，是目前较多采用的成型工艺。 三、目前市场需求的轻量化作 1、非热处理压铸镁/铝合金材料开发 •结构件用压铸铝合金材料 热处理压铸Al-Si系铝合金（Silafont36） Silafont36压铸合金的性能 •压铸态合金性能（塑性）偏低 •需通过热处理来提高合金塑性 非热处理强化Al-Mg-Si系压铸材料开发 •Al-Si合金的变质处理 Al10SiMnMg无变质延伸率：3% Al10SiMnMg变质处理延伸率：7% 高强韧压铸铝合金材料设计基本原理：一次凝固析出相细化 •非热处理强化压铸Al-Mg-Si合金一次凝固析出相细化 (a) •成分设计：Mg/Si=1.73，第二相全部为Mg2Si， Mg2Si相粗大分布 屈服强度：170-190MPa,抗拉强度300MPa，延伸率 4% •微量稀土元素（La、Ce<0.5%）添加，细化晶粒和一次析出相 (a) •微量RE元素添加后，晶粒尺寸和一次析出相Mg2Si均得到显著细化 屈服强度：150-170MPa,抗拉强度310-330MPa，延 伸率10-12% 非热处理强化高强韧压铸镁合金开发 现有压铸镁合金性能对比 典型压铸镁合金力学性能 •AM50——塑性较高，强度偏低 •AM60——塑性中等，强度中等 •AZ91——强度较高，塑性偏低 开发新型压铸镁合金，强度与AZ91D相当，塑性与AM60相当。 Mg-RE（La/Ce）-Al系合金一次凝固析出相的细化 不同Ce/Al条件下一次析出相的形貌 成分优化后的压铸镁合金材料性能 主要应用对象：座椅骨架、仪表板骨架等 2、铝合金减震塔压铸技术开发 •与上汽技术中心合作，实现铝合金结构减震塔集成5个钢制零件为一体，减重效果由原钢制减震塔的3.2Kg，减至铝合金减震塔的1.95Kg，减重率达到39% 钢制冲压件铝合金压铸件 •结构优化设计 三轮优化设计 •结构优化设计结果 •减重39% •刚度与钢制结构相当 •浇注系统与模具结构的优化设计 •三种不同的进料方式 •浇注系统优化设计，实现平稳充填和顺序凝固 •确定采用第一种进料方式，模具加工简单 •减震塔模具加工（加工周期90天） •分别采用AlSi10MnMg和新开发的合金进行了样件试制，获 合金最佳压铸工艺 参数，成功试制了减 得两种震塔样件。 AlSi10MnMg新型铝合金 •试制条件 IDRA1600吨压铸机模具温度：240℃高速速度：5m/s 铸造压力：60MPa 1吨熔炼炉，自动浇注系统 浇注温度：AlSi10MnMg:680℃新型合金：700℃ •减震塔样件试制 •零件内部质量分析 关键受力部位X光探伤无明显缺陷 •样件基本性能测试 取样部位，圆形为组织观察部位，矩形为拉伸取样部位 •AlSi10MnMg合金零件微观组织 部位1部位2部位3 部位9部位10部位11 •AlSi10MnMg合金零件微观组织 部位12部位13部位14 部位15部位16 •AlSi10MnMg合金零件拉伸性能 屈服强度：135-140MPa,抗拉强度：260-270MPa，延伸率：6-8% •新型合金零件微观组织 部位1部位2部位3 部位9部位10部位11 •新型合金零件微观组织 部位12部位13部位14 部位15部位16 •新型合金零件拉伸性能 屈服强度：160-170MPa,抗拉强度：300-310MPa，延伸率：8-10% •样件台架试验 4 3 1 2 台架试验安装图及技术条件 •台架测试结果 AlSi10MnMg合金T1条件下开裂 新型合金T1条件下完好 3、空心结构一体化铝合金副车架开 •“以发铝代钢”空心结构副车架设计 •壁厚:3.5~4mm •拔模角:≥1° •斜度:0.5~1mm. •机加工允许最大变形量:3~4mm •重量:<10Kg •低压铸造模具结构设计与模流分析 •确定模具结构设计 •确定铸造工艺参数 •模具结构设计 •模具与砂芯装配 •真空辅助低压铸造 •空心断面壁厚分析 小结与展望 铝/镁合金材料对汽车轻量化具有重要的意义，铸造铝/镁合金在车身和底盘等大型结构件上的应用呈现快速增长趋势； 上XX大学开发的非热处理一体化压铸铝合金减震塔与钢制减震塔相比，减重达到39%；材料本体取样屈服强度：160-170MPa,抗拉强度：300-310MPa，延伸率：8-10%；零件疲劳性能高于AlSi10MnMg合金，并通过台架验证。 上XX大学愿与国内外汽车相关厂商、研究机构共同合作开展车身与底盘结构件轻量化开发。 谢谢！