解析差压铸造铝合金转向节的热处理工艺

李 莎

（陕西工业职业技术学院材料工程学院热处理教研室，陕西咸阳712000）

在汽车的转向系统中，转向节是不可忽视的构成部分，既可以与汽车悬架、前车轴相连，又是转向系统的制动器相连。可以这样说，转向节在前轮的转动中起着支撑作用，又可以促使汽车灵活的转向，承载着多重负荷力的冲击。在使用差压铸造的方式打造铝合金转向节的过程中，热处理环节的工艺效果直接影响着整个转向节的安全性能。鉴于此点，有必要对热处理的施工工艺进行研究探讨。

1 转向节铸造工艺的研究现状

1.1 制造工艺介绍

墨铸铁是传统汽车中转向节的最主要铸造原料，以此铸造的转向节存在着易疲劳失效且过重的缺点。为改善缺点，使其重量降低且簧下性能增强，很多国外相关人员开始对高性能铝合金转向节进行研究，具体可见图1。当前铝合金转向节已经被广泛运用于欧美、日本等国家地区，让转向节从传统的墨铸铁升级为铝合金铸造，以此来提升转向节的性能、降低转向节的重量同时减少成本。立式挤压铸造机是在日本拥有较久历史的一种铝合金转向节制造机械，其制造过程保密性非常之强[1]。而在欧洲等国家的铝合金转向节，主要运用差压铸造。

作为汽车锻件中极为重要的锻件之一，转向节的制造非常复杂困难，且转向节的整体设计水准决定了整体汽车锻件的水准，铸造过程繁杂，需要具备较高标准要求的锻造技术与模具。

图1 铝合金转向节示意图

1.2 转向节生产面临的问题

当前，锻造转向节需要先解决以下几项问题：锻造消耗的能源过多且对原材料的使用率太低；以研究人员的实际经验来决定转向节是否研发新品，时间周期过长、费用过高、风险较高。运用差压铸造的方式虽然有高效率，但其采用原料的以A356 铝合金为主，其抗拉强度与屈服强度分别约为280 MPa与180 MPa，相较而言伸长率不够高，通常小于5%。然而随着技术的不断进步与发展，对A356 铝合金进行热处理，其抗拉强度保持280 MPa 左右，屈服强度可提升至约200 MPa，将伸长率提升8%。很明显差压铸造转向节的机械性能增强，可以达到保证驾驶安全的标准。

2 差压铸造铝合金转向节生产工艺

2.1 差压铸造工艺及优势

通过压力来充型与结晶的铸造方式即差压铸造。此种铸造方式兼具压力与低压铸造。首先进行低压铸造，使用密封罩密封，将压缩空气注入向坩埚与罩内，使内部压力上升，以此通过压力差使金属液经过升液管充型，之后在压力作用下凝团结晶。

差压铸造有以下优势：①由于高压气体会使合金液发生凝固，而在合金液中溶解后形成的气体会因其凝固而出现难以析出的现象，使析出性气孔不易出现；②合金液内部的气体压力小于合金液表面压力，会使差压铸造的补缩性能加强，以避免缩松、缩孔等不良问题出现。相较于低压铸造而言，差压铸造具有组织密度高，性能强，并且能够增强10%～50%的锻件抗拉强度，25%～50%的伸长率；③进行差压铸造的过程中，由于受到型腔中气体气压的影响，金属表面气体气膜的密度增强，受热后会提升抵抗液态金属进入凹坑的作用[2]。

运用差压铸造的方式有以下优点，模腔中的铝液由模具底部注入，而后运用压力来平衡反压，防止在充型的过程中出现铝液喷涌或模具被腐化的不良问题出现，使整个过程保持稳定，且可运用模具设计的升级以及定向冷却的方式来掌控凝固结晶，以保证转向节铸造的整体质量与效率。

2.2 转向节差压铸造机组成

图2 为差压铸造机的结构图。由以下图可见主要由上下压力罐、升液管以及坩埚等部分组合而成。升液管与坩埚主要安装于下压力罐中的电阻保温炉内；通过控制使模具与驱动顺着支柱的方向垂直上下运作，使转向节进行差压铸造。

2.3 转向节差压铸造工艺

图2 差压铸造机的结构示意图

完成差压铸造需要经过六个阶段。首先0～t1在上压力罐中完成压力罐的充气；而后同样在上压力罐完成t1～t3，压力罐内压力开始下降，然而此时下压力罐并未出现压力变化，两者之间会出现压力差，使铝液顺着升液管进入至模具内；t3～t4 主要为铝液的上升以及充型阶段；t4～t5 主要是保压；t5～t6 阶段主要是互通；最后的t6开始进排气与卸压。铝合金转向节的浇筑铝合金过程中，0.5～0.6 MPa 为充气时的压力，在浇筑时温度控制在710～725 ℃；模具中的运行温度控制在150～280 ℃，不可大于360 ℃；将保压与留模的时间掌控在15～25 s。

3 差压铸造转向节热处理工艺

3.1 差压铝合金铸件的热处理施工方式

运用同一热处理标准来进行差压铝合金的热处理工作，设定温度升高的速度，当达到相应温度之后进行保温，最后降温，以此来使铝合金的组织发生变化，提升铝合金的整体性能，例如抗腐蚀性、尺寸稳定性等[3]。进行热处理的主要参数设定有：当温度升高至520 ℃时，进行20 min 的保温，而后继续温度提升至535 ℃，再进行8 h 的保温；需要将淬入60 ℃水中的时间控制在15 s 内；当完成淬入后，将其放置保温炉，温度为165 ℃，而后完成6 h的保温，最后在出炉室完成2 h的降温冷却。

使铝合金热处理至高温单相区，而后保温，让过剩相得以溶解而后迅速冷却，这就是铝合金的固熔处理。主要由以下几个目的：

（1）让Mg，Si完全固溶于α（Al）基体内；

（2）使Mg，Si更加均匀的处于α（Al）基体内；

（3）使共晶Si的形态由原本的纤维转化为向粒形态。

所谓的固熔强化即为固溶合金元素至基体内，以提升合金的整体强度。准确的把握固熔的时间与温度能够提升整体的固熔质量，以不存在过热、过烧为前提，案例中将固熔温度控制为535 ℃，8 h的时间。一定程度提升淬火时的温度，能够使固熔体达到最大的效益，因此案例将淬火参数定为60 ℃，15 s，主要为了确保不会在有第二相在此过程中析出，否则会导致之后的过程中，发生相起晶核的现象，以至于影响整体的固熔强化质量。

3.2 具体施工流程

首先需要完成调质工序，而后通过淬火来实现硬度与深度都更进一步的硬化层表面，这样在增强锻件的耐磨性的同时提升整体韧度。

（1）调质工序。一般而言在盐浴炉中来完成调质这一工序，基本的标准为能够进行无氧加热处理。过程中的回火参数为：将温度控制在180 ℃内，保证80～100 min的保温，而后进行冷却。

（2）高频淬火。主要运用连续式加热的方式来完成，需要保证感应器与主销之间有2～3 mm 的距离，并且在进行水淬过程中的压力要严格按照标准进行，使深度与硬度得到保证。

3.3 热处理注意事项

进行热处理的工序中，会因为诸多影响因素而使整体的效果受到削减，当影响程度较深会直接关系到锻件的最终质量，因此这一工序尤为重要。淬火裂纹是在高频淬火中最容易出现的不良现象。这一现象的出现与感应器的喷水孔直接相关，多数是因为冷却过程操作不当。以此为了提升冷却的整体效果，降低淬火裂纹这一不良现象的出现，需要作出以下措施：

（1）做好感应器与主销间隙的控制工作，当二者的间隙处于合理状态时，可以削弱淬火裂纹现象。

（2）削弱喷射压力。

（3）在进行淬水冷却处理时，需要加快工件旋转速度，由此起到提升冷却均匀性的目的。

4 转向节疲劳试验验证

从性质上考虑，转向节是汽车中极为重要的安全部件之一，其对应的安全等级达到了Ⅰ级。经大量试验结果表明，转向节常见有疲劳破坏这一失效形式，其对力学性能提出的要求极为严苛，因此需要进行台架试验，由此验证其安全性能[4]。

基于道路疲劳试验，具备显著的荷载准确性特点，但在开展试验时需要耗费更多的实践与成本，同时受试验强化系数的影响较大。对于转向节室内台架而言，其优点较为突出，所需的时间较少，同时边界条件具有高度的一致性。对此，宜优先选用室内台架试验，如图3所示：

图3 室内转向节疲劳台架试验

综合图3 进行分析，试验中需要使用到MTS 液压伺服试验系统，同时将单轴交变载荷作为主要的载荷条件。对标准沃勒曲线进行分析，由此明确受损程度，对于转向节裂缝而言其长度控制在1mm以内。试验中使用到了A356铝合金材料，需要通过热处理的方式对其进行加工，而后将其用于台架试验中。此外，铝合金转向节需要满足安全性、疲劳寿命等方面的性能要求。

5 结 语

本文介绍了A356 铝合金为原材料制造转向节的热处理工艺，经转向节台架试验检测，其安全性能符合汽车对转向节性能的需求。在具体的制造过程中，需要熟练的地掌握铝合金转向节的热处理工艺技巧，避免质量缺陷，可以为生产转向节提供一个良好的质量保障，从而为我国汽车零部件的创新发展提供有用的参考。