新能源汽车铝合金压铸电池罩盖的工艺研究

原标题:基于AlSi10MnMg电池罩盖工艺研究

摘 要:以新能源汽车AlSi10MnMg压铸铝合金电池罩盖为研究对象，通过数值模拟分析，预测充型过程中的卷气缺陷，优化设计压铸模具排溢系统。通过热处理试验，确定该产品人工时效工艺参数。试验证明，数值模拟能有效的控制卷气，经过190 ℃ x 2 h的人工时效，电池罩盖满足抗拉强度30 0MPa，屈服强度210MPa，伸长率5%的力学性能要求。

近年来由于汽车轻量化的需求，如悬挂梁、承重梁、减震塔及轮毂等铝合金压铸件得到了越来越多的应用。AlSi10MnMg作为新型的高强韧性铝合金压铸材料，其具有抗拉强度和伸长率高等特点。在压铸充型过程中，AlSi10MnMg合金熔体在压力作用下以极快的速度填充模具型腔，容易产生卷气缺陷，因此分析充型过程中的卷气状况十分重要。本研究运用Anycasting软件进行卷气数值模拟分析，并通过热处理工艺进一步提高AlSi10MnMg薄壁压铸件的力学性能。

1、产品结构

图1为新能源汽车电池罩盖的外形，材质为AlSi10MnMg，该产品平均壁厚为3 mm，外形轮廓尺寸为152 mm×142 mm×22 mm，铸件投影面积为142 cm2，质量为0.22kg。该产品装配于电池上盖，外表面装配多个传感器和螺栓，产品功能上需要保护内部电池组，防止液体泄漏，同时需要承受一定的外部冲击和以及抵抗长期的疲劳振动。内控要求抗拉强度大于300 MPa，屈服强度大于210 MPa，伸长率大于5%，加工表面不能有大于1 mm的气缩孔，密封测试条件为10 kPa条件下泄漏率小于8 mL/min。该合金铸态抗拉强度为240 MPa,屈服强度为140 MPa，伸长率为5%，无法满足需求，因此从原材料成分、模具设计及人工时效几个方面对其进行改善。

图1 新能源电池罩盖

2、化学成分分析

AlSi10MnMg基于Silafont-36，依据DIN EN 1706 标准规定，化学成分见表1。Si含量略低于AlSi共晶合金，具有较好的流动性。而Fe含量低，使Al-Fe-Si相的针板块状得以消除，压铸件在受力状态下不易产生裂纹。一定的Mn含量可以减弱Fe的危害，防止压铸时合金的粘模现象，而在组织上呈现球状相。

表1 AlSi10MnMg的化学成分 wb/%

由表1可知，标准中规定的AlSi10MnMg铝合金中，Mg含量为0.1%~0.6%，范围比较宽。吴树森等研究发现，Mg含量的增加与抗拉强度与屈服极限正相关，与伸长率负相关。过低的Mg不能产生足够的强度，也不利于后续的热处理，而过高的Mg能导致伸长率降低，Mg与Si形成Mg2Si强化相，使得α-Al固溶体结晶点阵发生畸变，从而起到强化合金的作用。Mg的含量为 0.20%~0.40%可以取得较好的综合力学性能。

Fe是压铸铝合金中一种有害元素，其以FeAl3和Al-Si-Fe的片状或者针状组织存在，降低合金的力学性能，Fe含量要低于0.15%，Mn元素可以与Fe形成化合物，进一步消除铁有害因素，同时Mn可以提高产品球状结晶组织含量，将Mn含量保持为0.50%~0.80%。

适当增加Ti能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的力学性能，降低合金热裂纹倾向，故将Ti含量控制为0.06%~0.10%之间。由此，调整后压铸铝合金的成分见表2。

表2 试验材料成分AlSi10MnMg wb/%

3、模具设计与数值模拟

图2为该电池罩盖浇注系统基本结构，总投影面积为290 c㎡, 浇注总质量为0.78 kg，选用UB350ic压铸机，该设备锁模力为3 500 kN。设计模具每模1件，压室直径为ø60mm，料缸充满度35%。模具有五个分支浇道，其中左侧分支浇道制造伴随铸件的试片2，并通过阻断器8控制是否需要制造试片。根据该产品要求，铸件内左下侧“眼镜孔”区域、 右下侧“矩形方框” 区域、浇注末端“圆孔”区域安装传感器等零部件，这3个部位是通孔，并且该区域加工后所有加工表面气孔应小于0.6 mm。铸件4个分支浇道呈梳状结构，内浇口长度为75 mm，浇口厚度为2.0mm，为凝固模数的2/3，总浇口截面积为150 m㎡，计算可得平均流速为40 m/s左右。压铸模采用FS438压铸热作模具钢，其具有良好的淬透性、韧性、热强性、热疲劳性能，热处理变形小等。冷却介质为水，局部采用10 kg/c㎡的可编程间断高压点冷却，自然排气，通过模拟分析确定渣包位置以及排气波板的设计。

图2 电池罩盖浇注系统

1.电池罩盖 2.试片 3.料柄 4.直浇道 5.横浇道 6.分支浇道 7.试片渣包腔 8.阻断器

借助 ANYCASTIN 6.0软件进行模拟分析，主要可进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟分析。模拟分析对象为铸件与压铸模具，划分1 560万个网格，根据薄壁件高速填充特点，设定初始边界条件为熔体温度680 ℃，模具温度为185 ℃，冲头充型速度为3.5 m/s，模具与铸件传热系数为2 000 W/(㎡.K)，模具间传热系数为1 000 W/(㎡.K)。

模拟分析结果见图3。合金液在压射冲头推动下以较低速速到达内浇口，中间两浇口的铝液首先被填充。由图3a可知，第0.015 s开始高速压射，浇口平均速度为42 m/s左右，铝液冲击模具和型芯，以紊流状态填充型腔。从图3b可见，第0.0175 s到达“眼镜孔”区域，在模具上该部位为研合模具型芯，铝液将冲击型芯产生涡流卷气。为确保该重要部位质量，将眼镜孔通孔设计变更为2 mm厚的盲孔，即模具在该部位的研合优化为2 mm的间隙，卷气状况明显改善，增加的2 mm材料在后序加工切除。从图3c可见，在填充0.021 s左右两股铝液分别到达圆孔和矩形孔末端，通过模拟发现，浇道对侧圆孔末端与矩形孔末端均有明显卷气情况发生,，故分别设计渣包于圆孔和矩形孔内，渣包入料口为模拟铝液交汇处；第0.024 s填充至铸件末端，流向铸件周边渣包,见图3d。经多次模拟分析，在铸件填充末端分别设置8个渣包，铸件生产后经X光显示，周边渣包内含有较多气缩孔与氧化夹渣。

图3 电池罩盖填充卷气模拟

图4为填充0.277 s时的速度云图。“π”型排气波板是将一个传统的排气波板中间隔离，同时保留末端连通，一般左右两边隔离长度为4~5个牙扣，该结构既可以保证左右两侧气体排出互不干扰，同时缩小空间，节省加工制造成本。从图4可以看出，该时刻左侧铝液达到第一牙扣，右侧即将抵达第一牙扣，使用粒子跟踪技术测量左侧前端速度为12 m/s，右侧为1 3m/s，由于波板平均间隙为0.7 mm，两股铝液经过第一牙扣后速度迅速下降，到第二牙扣几乎停止运动，铝液最终停止的位置与铝液粘度、模具温度以及铸造压力等有关，设计左右两侧分别独立4个牙扣，在第5~8个牙扣连通，实践证明“π”型排气波板设计合理，生产过程使用可靠。

图4 填充0.277秒速度矢量

依据模拟分析结果，使用UB350iC压铸机生产该零件，压射冲头尺寸为ø60 mm，实测冲头与料缸间隙为0.07 mm，为适应薄壁件充型，保温炉设定合金液温度为680 ℃，实际模具温度控制在180~200 ℃之间，铸造压力为80 MPa，一级压射速度为0.2 m/s，二级速度为3.5 m/s，铸件见图5。使用XG-160S T/S X射线实时成像机检查零件内部质量，可以看到铸件整体轮廓清晰，见图6，眼镜孔、方形孔及圆孔周边重要功能区域无可见气孔、氧化夹渣等质量缺陷，浇注末端质量良好，周圈密封环形槽满足设计要求。同时，随件试片轮廓清晰，无可见气孔等缺陷，见图7。使用WDW-50电子万能试验机测量随件试片力学性能，其抗拉强度平均值为260 MPa，屈服强度值为 170 MPa，伸长率为 6 %，性能不能满足设计要求。

在产品3个重要区域取切片抛光并在10%烧碱溶液中腐蚀，使用AX10蔡司金相显微镜进行组织观察，见图8，白亮α铝多数为块状或枝状，晶粒尺寸较为粗大，个别尺寸大于80 um, 细小暗黑色Al-Si合金分布于α铝周边，较为均匀，但仍可见细小气缩孔，孔隙率为3.5%。取圆孔内渣包进行金相检验，见图9，发现有多个呈圆形黑色气孔空洞，且周边存在密集分布细小孔洞，经图像识别测量，渣包内孔隙率为大于9%，说明该处渣包实现集气及排渣的功能，气体是在铝液流动前端被高速卷入渣包，在高压下被压缩为孔洞。该现象与模拟分析结果基本一致，说明模具渣包设计较为合理。

4、热处理工艺效果

铝合金铸件热处理目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。铝合金的时效硬化不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等，目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。AlSi10MnMg薄壁压铸零件在T5及T6的适当工艺参数，都能得到较好的性能要求。由于固溶热处理工艺较为复杂，并且较高的温度容易导致薄壁压铸件变形超差，且薄壁该零件可以在2h可以得到均匀的溶解，因此以温度为变量采用人工时效处理。

选取人工时效温度范围为170~210 ℃，每间隔10 ℃作为1组，保温时间均为2 h。采用Sx2-12-6电阻炉进行人工时效，额定功率为12 kW，炉膛尺寸为550 mm×550 mm×450 mm；将每组3个试片悬挂放置入炉膛中间部位，通风，升温15 min到达规定时效温度，随后自动保温计时，最后由人工将试片取出空气中冷却。

使用WDW-50E万能拉伸试验机在室温条件下进行拉伸测试，拉伸测试过程依据国标GB/T228.1-2010，见图10，伸长率由卡尺测量拉伸前后数值计算获得，每组3件，测试结果见表3。

图10 不同时效温度下拉伸试片

表3 人工时效参数与力学性能表

从表3可以看出，经过人工时效热处理，屈服极限和抗拉强度相对于原始铸态有不同程度提升，其中190 ℃ x2h时，分别为306 MPa和222 MPa，而后当温度增加强度略有降低；同时，经过T5热处理，伸长率先下降然后上升，其中190 ℃ x 2h的伸长率为5.4%，但都小于压铸毛坯状态的。

进一步选择热处理时效温度190 ℃，保温8 h对电池罩盖铸件进行去时效处理，进行拉伸测试后得到抗拉强度为307MPa，屈服强度为227 MPa，但伸长率下降到2.6%，说明过长的热处理时间对于强度影响不大，但对伸长率影响很大。

5、结论

基于AlSi10MnMg压铸合金材料,针对新能源汽车电池罩盖力学性能要求，提出解决该问题的一般方法，即合理选择合金成分含量、优化设计压铸模具、正确配置人工时效方案。结果表明，合金成分中Mg的含量为0.2%~0.4%，根据零件结构特性优化排溢系统，人工时效选择190 ℃以及2 h，其性能能满足要求。

作者朱洪军 黄潇苹大连科技学院机械工程学院间德海大连亚明汽车部件股份有限公司本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志