作者：*姜巨福，鄢璟，刘英泽，葛宁，*王迎，丁长杰，邹德超
单位：哈尔滨工业大学
引用格式：Jiang J J, Yan J, Liu Y Z, et al. Microstructure and properties of 35 kg large aluminum alloy flywheel housing components formed by squeeze casting with local pressure compensation. China Foundry, 2024, 21(5): 563-576.
研 究 背 景
制造业的发展水平象征着一个国家的生产水平和综合实力，汽车工业是其中的重要组成部分。随着全球能源短缺和环境保护问题的日益严重，降低能源消耗和最大限度地减少环境污染已成为汽车行业可持续发展的重要趋势。飞轮壳构件是汽车构件中尺寸大、重量大、结构复杂的构件之一。它是汽车动力总成中必不可少的承重构件，是负载分配的关键部分。此外，它还为飞轮总成、离合器总成和起动机提供保护。因此，飞轮壳部件的性能直接影响发动机的性能。铝合金构件具有轻质、高强的特点，符合当前汽车轻量化的发展趋势。然而，关于挤压铸造形成大尺寸、大重量和复杂构件的研究很少，对于壁厚差异较大的铸件中的缺陷，也很少有准确的预测和有效的控制方法。本文提出了一种有效的局部压力补偿挤压铸造方法，用于重量为35 kg、大壁厚差、结构复杂的汽车发动机飞轮壳构件。通过数值模拟准确预测了缩孔缺陷的位置和体积含量。研究了局部压力补偿挤压铸造工艺对铝合金飞轮壳构件微观结构和力学性能的影响，验证了局部压力补偿方法克服厚壁区域热节引起的收缩缺陷的有效性和可行性。挤压铸造工艺和局部压力补偿技术的研究对其他大尺寸、复杂形状的高性能轻质部件也具有重要参考意义。
内 容 摘 要
本研究提出了一种具有局部压力补偿的挤压铸造方法，用于成型重量为35 kg的飞轮壳构件。通过数值模拟、显微组织观察和第二相表征，讨论了局部压力补偿对厚壁位置进给、成形构件显微组织和力学性能的影响。结果表明，在填充过程中，熔融金属保持良好的流动性，充型完整。金属在厚壁位置的凝固缓慢，局部压力补偿有效地实现了局部强制送料，显著消除了缩孔缺陷。在AlSi9Mg合金的微观结构中，α-Al主要由碎裂的树枝晶和玫瑰花状晶粒组成，而共晶Si主要由针状和短棒状组成。局部压力补偿对强度的影响相对较小，但对伸长率的影响相当大。经过局部压力补偿后，补偿区域的平均伸长率为9.18%，比补偿前增加了44.90%。平均抗拉强度为209.1 MPa，平均屈服强度为100.6 MPa。局部压力补偿可以显著减少甚至消除挤压铸造形成的35 kg大尺寸、大重量飞轮壳构件的内部缺陷，提升飞轮壳构件的力学性能。
研究方法和结果
利用DSC热分析方法测得材料的固相线为566.6 ℃，液相线为625.2 ℃。飞轮壳结构非常复杂，有许多小凸肋和不均匀的壁厚，最大壁厚比接近7:1。此外，飞轮壳构件最大尺寸为593 mm，重量近35 kg，显然是一个典型的大尺寸、大重量、大壁厚差的结构件（图1）。
图1 AlSi9Mg铝合金的DSC曲线和飞轮壳部件的建模图：
(a) 合金的DSC线；(b, c) 整个飞轮壳体部件
在每个获得的局部压力补偿挤压铸造成形的飞轮壳构件上切割微观结构观察试样和力学性能分析的拉伸试样。具体微观组织和力学性能分析试样切割位置如图2(a)所示，共选取6个位置进行取样分析。切割实物如图2(b)所示，显微组织试样的尺寸为10 mm×8 mm×6 mm长方体，拉伸试样见图2(c)-(d)所示。
图2 部件的取样位置(a)，在样品上切割的拉伸试样(b)，
拉伸试样的尺寸(c)和拉伸试样照片(d)
利用数值模拟仿真分析技术分析了局部压力补偿挤压铸造技术的充型和凝固过程（图3）。分析结果表明，液态金属首先通过流道进入下端面，然后沿着加强筋流动，从中心扩散。由于飞轮壳部件在各个方向上的结构差异明显，结构简单的左侧和前侧的填充过程更快。填充2.92秒后，熔体开始垂直填充，上升的液位基本平坦。整个阶段的熔体温度高于液相线温度，表明流动性良好。加注4.90秒后，飞轮壳体完全充满。除了溢流槽较低外，整个铸件的温度高于固相线温度，总固相比仅为1%。
图3 铸件充型过程中五个特征时间点的流场(a)和温度场(b)分布(带局部压力补偿)
如图4所示，当整个铸件的凝固率为40%时，除两侧较厚的安装口外，圆柱形表面的凸耳和柱孔内也有金属液体。随着凝固的进行，进料通道中的肋、两侧的厚安装端口和凸耳凸台将断开连接，这些位置将成为孤立的液体区域，较厚的安装端口位置需要最长的凝固时间，甚至晚于中心浇口中剩余的液态金属。这些部位将形成凝固过程的热节，是缩孔、缩松等铸造缺陷最容易产生的部位。
图4 铸件凝固40%(a)，55%(b)和90%(c)时固相分数小于0.3的液相分布，以及铸件凝固40%(d)，55%(e)和90%(f)时的截面固体分数云图
如图5所示，当没有局部压力补偿时，收缩缺陷主要出现在两侧的厚壁安装端口、下端面的厚而长的凸肋、圆柱面上的凸耳和较大的电机柱孔中。安装端口的缺陷最多，这与上述凝固过程的分析结果一致。下端面的厚凸肋主要是孔隙率较低的缺陷，圆柱面上的凸耳和较大的电机柱是孔隙率较高的缺陷，对相应位置的力学性能有很大影响。构件孔隙率大于80%的严重缺陷分布较少，主要集中在两侧的安装端口。在应用局部压力补偿技术后，不同孔隙率的收缩体积都减少了，高孔隙率（超过80%）的严重收缩孔隙率被消除了。整体缺陷孔隙率的降低意味着缺陷严重程度的降低和部件质量的提高，压力补偿技术实现了收缩缺陷的有效减少甚至消除。
图5 具有或不具有局部压力补偿的不同孔隙率的收缩分布：
(a-d)孔隙率大于1% (a)，20% (b)，40% (c)和80% (d)；
(e-h) 孔隙率大于1% (e)，20% (f)，40% (g)和80% (h)
本文进行了没有局部压力补偿和具有局部压力补偿的飞轮壳构件挤压铸造工艺实验（图6）。实验班结果表明，两种条件成形的铸件的宏观表面状况成形质量良好，结构特征表现良好。虽然表面有一些液态金属流动痕迹，但没有发现严重缺陷。但是，将飞轮壳构件进行局部剖切后，观察到两个铸件不同位置的截面宏观形态，在没有压力补偿的情况下，飞轮壳部件安装端口的位置1和位置2存在严重的收缩缺陷，位置1的缺陷面积明显较大，这与模拟中的预测一致。然而，在局部压力补偿的铸件中，两个压力补偿位置周围只有很小范围的缩孔。虽然通过添加局部压力补偿并不能完全消除缺陷，但缺陷体积大大减少。比较其他四个位置截面的宏观形态具有局部压力补偿的铸件形态更好，截面中没有发现收缩缺陷，而没有局部压力补偿，铸件中存在小收缩缺陷。
图6 成形铸件的宏观形貌：(a) 无局部压力补偿的铸件，
(b) 有局部压力补偿铸件；(c) 两个铸件局部压力补偿位置1和2处的截面宏观形态；(d) 两个铸件3、4、5和6位置的截面宏观形貌
如图7所示，在没有局部压力补偿的铸件中存在粗大的蔷薇状晶粒和相对较小的球状晶粒，共晶硅呈针状，存在偏析。然而，具有局部压力补偿的铸件的α-Al晶粒主要由树枝晶和近球形晶粒组成。这充分证明，局部压力补偿不仅有效降低了大壁厚差类部位的铸造缺陷，而且还改变了不壁厚差部位的微观组织形貌，将微观组织由纯粹的树枝晶形貌改变为由树枝晶和球状晶组成的混晶组织。这对于提升挤压铸造成形的飞轮壳构件的力学性能非常有益。
图7 具有(b，d，e)或没有(a，c，f，h)局部压力补偿的铸件在位置3(a，b)，4(c，d，e)，5(f，g)和6(h，i)处的微观结构
图8显示了有和没有局部压力补偿的部件在不同位置的未热处理状态的力学性能。在有或没有局部压力补偿的情况下，位置1和2的极限抗拉强度均超过200 MPa，屈服强度均超过95 MPa，集中在100 MPa左右。但局部压力补偿对这两个位置的伸长率有很大影响，具有局部压力补偿的试样的伸长率显著提高。在施加局部压力补偿后，位置1的极限抗拉强度为205 MPa，屈服强度为101 MPa，伸长率为6.16%，伸长率比没有局部压力时（5.47%）高12.6%。位置2的极限抗拉强度为213 MPa，屈服强度为99 MPa，伸长率为12.20%，伸长率比无局部压力（7.20%）显著提高了69.4%。两个位置的平均伸长率为9.18%，比没有局部压力补偿高44.9%，平均极限抗拉强度约为209 MPa。施加局部压力补偿后，位置4的力学性能最好，极限抗拉强度为215 MPa，伸长率为14.20%，与相同位置没有局部压力的试样（6.02%）相比，伸长率显著提高了135.88%。
图8 未压力补偿与压力补偿的力学性能：(a) 局部压力补偿位置1和2的力学性能；(b) 抗成形零件1在六个取样位置的拉强度和伸长率；(c) 成形零件2的拉强度和伸长率
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作者简介
姜巨福
哈尔滨工业大学教授
博士生导师
工学博士
姜巨福：哈尔滨工业大学教授、博士生导师、工学博士，2022年入选国家级高层次人才，主要从事金属结构材料挤压铸造技术、半固态加工技术、铸锻复合成形技术和一体化压铸技术研究工作；曾作为国家公派访问学者在英国莱斯特大学工程系访问1年，合作导师是英国皇家工程院院士H.V. Atkinson教授；任国际合金及其复合材料半固态加工科学委员会执委、中国机械工程学会塑性加工分会理事、中国机械工程学会塑性加工分会半固态加工论坛学术委员会主任，Materials编委、《特种铸造及有色合金》杂志编委、《中国铸造装备与技术》编委。主持国家自然科学基金项目7项（重点、联合重点等）、国家重点研发计划课题2项、国家某基础加强重点项目子课题等项目17项；在Acta Materialia等期刊发表学术论文177篇，申请国家发明专利43项（已授权31项，转化2项），获得软件著作权1项，获国家技术发明二等奖1项，省部级奖5项。研究成果为航天、兵器、重载汽车、新能源汽车和5G通讯等领域内某新型导弹支架、某新型坦克轮毂、大马力发动机飞轮壳、新能源汽车超大型复杂薄壁后地板、前机舱以及5G通讯滤波器壳体等构件成形制造提供关键技术支撑，部分产品实现批量生产。
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来源：CHINA FOUNDRY 杂志编辑部
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