汽車控制臂支架裂紋降低復(fù)合技術(shù)研究及應(yīng)用

魯茂波

（東風(fēng)精密鑄造安徽有限公司，安徽合肥 238000）

公司通過熔模鑄造生產(chǎn)的某汽車控制臂支架，因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜且薄壁，在熔模精密鑄造生產(chǎn)過程中，裂紋比例2.47%，造成客戶端斷裂重大風(fēng)險(xiǎn)。該產(chǎn)品屬于汽車安全件，高裂紋產(chǎn)生和漏檢風(fēng)險(xiǎn)，流至客戶端裝車會(huì)發(fā)生重大斷裂失效，給駕駛司機(jī)及乘客造成嚴(yán)重安全威脅，降低裂紋技術(shù)迫在眉睫。

本文主要根據(jù)裂紋的形成機(jī)理及形成因素進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)改善實(shí)現(xiàn)工藝集成復(fù)合，有效降低裂紋，徹底消除客戶端重大風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)理論研究[1]，產(chǎn)生裂紋的主要原因有：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，凝固過程中薄壁部位受到的拉應(yīng)力超過材質(zhì)高溫強(qiáng)度開裂；（2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，凝固過程澆口部位熱作用時(shí)間過長，收縮受阻，凝固應(yīng)力大于材質(zhì)高溫強(qiáng)度，形成裂紋；（3）化學(xué)成分不合格，Al、Pb、P、S 等有害元素超標(biāo)；（4）澆注溫度過高，回爐料加入過多，鋼水中夾雜物超標(biāo)等因素，使凝固過程中夾雜物在晶界富集，使得晶粒晶界連接強(qiáng)度降低，在熱應(yīng)力大于晶界連接強(qiáng)度時(shí)會(huì)開裂形成裂紋；（5）外力機(jī)械損傷也會(huì)形成裂紋，如滾筒拋丸、校正、錘擊落件、機(jī)加工等；（6）熱處理工藝不合理，如調(diào)質(zhì)工藝；（7）澆注后快速冷卻，凝固過程溫度梯度過大，熱應(yīng)力大，大于材質(zhì)高溫強(qiáng)度時(shí)易形成裂紋[2]。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

對(duì)熔模鑄造生產(chǎn)的某汽車控制臂支架產(chǎn)品裂紋率、裂紋位置、裂紋產(chǎn)生工序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)熱處理工序探傷和機(jī)加工工序探傷裂紋率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示，從圖1可以看出，熱處理工序探傷裂紋率平均1.97%,機(jī)加工工序探傷平均裂紋率0.5%,熱處理和機(jī)加工裂紋率平均值為2.47%.同時(shí)對(duì)產(chǎn)品重要位置裂紋產(chǎn)生情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，表中A和C為澆口位置，B和D為該制件重要位置，從表1可以看出裂紋97%集中在澆口A和C部位，位置B裂紋率為2.98%.

在錘擊落件、氣割落件兩種狀態(tài)下對(duì)裂紋產(chǎn)生工序進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出裂紋主要產(chǎn)生在錘擊落件工序，說明澆口附近殘余應(yīng)力較大，在震動(dòng)狀態(tài)下易開裂。

圖1 裂紋情況統(tǒng)計(jì)

表1 裂紋位置規(guī)律統(tǒng)計(jì)

2 原因分析

裂紋率、裂紋位置及裂紋產(chǎn)生工序統(tǒng)計(jì)分析完成后，通過人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)環(huán)節(jié)分析，分析認(rèn)為裂紋產(chǎn)生主要原因?yàn)椋?）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理；2）鋼水臟，夾雜過多；3）冷速過快。分析結(jié)果如表3所示。

原鑄造工藝澆注系統(tǒng)為側(cè)注式澆注，如圖2所示。對(duì)原有工藝進(jìn)行充型凝固應(yīng)力模擬，模擬結(jié)果如圖3所示，鑄件A、C兩個(gè)部位在凝固至1 002℃時(shí)應(yīng)力最大，最大應(yīng)力分別是99.3MPa與73.8MPa，B處的應(yīng)力為66.7MPa；同時(shí)對(duì)原有工藝進(jìn)行溫度場模擬，模擬結(jié)果見圖4,從圖4可以看出鑄件凝固時(shí)整個(gè)鑄件溫度場不均勻，澆口位置與鑄件內(nèi)部溫度差較大，凝固過程澆口長時(shí)間過熱，澆口部位熱應(yīng)力過大。

表2 裂紋產(chǎn)生工序統(tǒng)計(jì)

圖2 原鑄造工藝澆注系統(tǒng)

表3 裂紋產(chǎn)生原因分析

圖3 原澆注系統(tǒng)凝固應(yīng)力模擬

圖4 原工藝溫度場模擬

3 改善方案

3.1 澆注系統(tǒng)改善

通過對(duì)原有工藝進(jìn)行分析決定將原側(cè)注式澆注系統(tǒng)改為頂注式澆注系統(tǒng)，并加大鑄件壁厚過渡部分結(jié)構(gòu)圓角，如圖5所示。頂注式澆注系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)：①鑄件頂部分成多股細(xì)流連續(xù)注入型腔，對(duì)型腔沖擊力小，充型液面活躍，排氣方便，擋渣效果好；②形成自上而下的定向凝固和良好的補(bǔ)縮能力，形成順序凝固，獲得致密鑄件[3]。采用頂注式澆注系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鑄件下半部分順序凝固，自由收縮，避免裂紋；鑄件壁厚過渡部分結(jié)構(gòu)圓角加大以減小凝固時(shí)的應(yīng)力，有利于提升凝固過程中高溫強(qiáng)度，降低裂紋傾向。

3.2 鋼水凈化處理

圖5 澆注系統(tǒng)改善與加大鑄件圓角

使用鋼水凈化劑，凈化劑中鈣、鈉等鹽類化合物能夠有效吸渣聚渣凈化鋼水，同時(shí)配合過濾網(wǎng)過濾技術(shù)可以有效降低鋼水夾雜物，減小夾雜物在凝固過程中晶界富集[4]。

3.3 稀土變質(zhì)處理

應(yīng)用稀土進(jìn)行變質(zhì)處理，在凝固過程中可以充當(dāng)外來物，促進(jìn)形核，降低過冷度，細(xì)化晶粒，提升凝固過程中的高溫強(qiáng)度，減小裂紋形成[5]。

3.4 改造冷卻道

對(duì)冷卻道進(jìn)行封閉改造，可以減緩鑄件凝固速度，縮小溫度場差異，降低熱應(yīng)力，減小裂紋[6]。

4 改善效果

4.1 改進(jìn)澆注系統(tǒng)后CAE分析

應(yīng)用頂注式澆注系統(tǒng)后進(jìn)行凝固過程凝固應(yīng)力模擬和溫度場模擬，凝固應(yīng)力模擬結(jié)果如圖6所示。比較改善前后模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改善澆注系統(tǒng)后澆口附近應(yīng)力值下降，整個(gè)鑄件凝固應(yīng)力差降低，關(guān)鍵部位B處、C處應(yīng)力都較小，降低了裂紋產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。溫度場模擬結(jié)果如圖7所示，從圖7可以看出，凝固過程溫度梯度相對(duì)較小。

批量澆注后探傷裂紋統(tǒng)計(jì)如表4所示，平均裂紋率為0.09%,改善效果顯著。結(jié)構(gòu)圓角加大后，B部位顏色變?yōu)樽仙f明應(yīng)力降低,裂紋基本消除；澆口附近改善前裂紋多，改善后裂紋顯著降低。

4.2 鋼水凈化處理

通過應(yīng)用鋼水凈化劑+過濾網(wǎng)，降低鋼水中夾雜物，減小夾雜物在晶界富集，提升晶界連接強(qiáng)度，降低裂紋。裂紋率降低0.01%，鑄件返修率由50%降至10%，下降40%.

4.3 鋼水變質(zhì)處理

澆注前在澆注包內(nèi)對(duì)鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，可以增大鋼水凝固時(shí)過冷度，促進(jìn)凝固，細(xì)化晶粒。澆包內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.015%稀土進(jìn)行變質(zhì)處理，澆注鑄件熱處理后金相對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)使用稀土后鑄件晶粒明顯細(xì)化，金相等級(jí)提升2級(jí)。同時(shí)為保證加入量穩(wěn)定性，對(duì)稀土按照加入比例進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定量包裝。綜合效果：裂紋率降低0.02%。稀土使用前后鑄件晶粒度對(duì)比如圖8所示。

圖6 澆注系統(tǒng)改變前后凝固應(yīng)力場模擬

圖7 改善澆注系統(tǒng)后溫度場模擬結(jié)果

表4 頂注式澆注系統(tǒng)批量澆注后探傷裂紋結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.4 改善冷卻環(huán)境

將澆注后鑄件冷卻通道進(jìn)行封閉，如圖9所示。降低鑄件整體凝固速度，從而減小鑄件不同部位溫度梯度，降低應(yīng)力差異從而降低裂紋。

最終，通過采用復(fù)合改善技術(shù)，裂紋率降低為0.000 7%.

5 結(jié)論

通過澆注系統(tǒng)優(yōu)化、鋼水凈化技術(shù)、鋼水變質(zhì)處理技術(shù)以及凝固冷卻環(huán)境改善，使得裂紋率由2.47%降至0.000 7%，降幅99.99%，效果顯著，消除了客戶端斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)。該研究為解決裂紋問題提供了一系列實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工藝方法，可向其他產(chǎn)品改善裂紋推廣應(yīng)用。

圖8 稀土使用前后鑄件晶粒度對(duì)比

圖9 冷卻道改善圖

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 卓先志.熔模鑄件裂紋產(chǎn)生原因及其預(yù)防［J］.機(jī)車車輛工藝，1998（4）： 35-37.

［3］ 中國鑄造協(xié)會(huì)編.熔模鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］ 杜麗娜.鋼水凈化劑試驗(yàn)效果及分析［J］.太鋼科技，.2000（4）：32-35.

［5］ 潘玉紅.熔模鑄造缺陷圖冊［M］.長沙：湖南科技出版社，2016.