差压铸造铝合金转向节热处理工艺

■ 吕金旗，孙汉宝，栗智鹏

1. 车用转向节简介

转向节是汽车转向系统中的关键零件，它与汽车悬架、前车轴、转向系统以及制动器总成相连，支撑并带动前轮转动，实现汽车灵活转向，是汽车前部关键承载部件。

在汽车行驶状态下，转向节承受着多变的冲击载荷。转向节的安全可靠性直接影响着整车的行驶可靠性，其在汽车零部件中具有十分重要的地位。

此外，转向节的结构参数、材料属性、生产工艺等因素也存在不确定性，这些随机因素的存在使得转向节的可靠性要求非常高。

（1）转向节轻量化制造 传统汽车转向节主要由球墨铸铁铸造而成，这种转向节重量较重，且易产生疲劳失效。为了汽车轻量化和提高簧下性能，国内外开始研发高性能铝合金转向节，如图1所示。目前欧美、日本等许多汽车已规模化使用铝合金转向节，由现有的铸铁件、锻造件向铝合金精密铸造新产品的升级换代，以实现转向节产品的轻量化、高性能化和低成本化。

（2）转向节制造工艺简介 日本用立式挤压铸造机生产铝合金转向节已有多年历史，工艺过程严格保密，没有可借鉴的资料可查。欧洲某些汽车生产大国铝合金转向节的生产以锻造为主，部分采用差压铸造。

转向节是汽车锻件中最难生产的锻件之一，其锻造设计水平代表了汽车锻件的最高设计水平，此类锻件锻造工序多，锻造工艺复杂，对其锻造工艺与模具设计要求高。

目前，转向节锻造生产面临的主要问题是：锻件材料利用率低，锻造能耗高；转向节新品开发主要依靠设计者的经验，开发周期长，费用高，风险大。

差压铸造转向节生产率较高，通常采用A356铝合金作为原料，A356铝合金抗拉强度和屈服强度分别在250MPa、180MPa左右，伸长率较低，一般不超过5%。但是随着差压铸件热处理工艺的发展，经过热处理的A356合金抗拉强度和屈服强度分别在280MPa、200MPa左右，伸长率可达8%。差压铸造转向节的力学性能及疲劳寿命均有大幅提升，完全可以满足汽车行驶的安全要求。

图1 铝合金转向节

图2 差压铸造机结构示意

2. 差压铸造铝合金转向节生产工艺

差压铸造又称反压铸造，是一种在压力下充型和凝固结晶的铸造工艺方法，兼有低压铸造和压力铸造的特点。它是在低压铸造的基础上，铸型外加密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，将坩埚内的金属液在压差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。

（1）转向节差压铸造机组成 图2是差压铸造机的结构示意。差压铸造机主要由上压力罐、下压力罐、坩埚、升液管、模具及驱动、微机控制系统组成。下压力罐内安装有电阻保温炉，保温炉内安装有坩埚及升液管；模具驱动气缸在微机控制系统控制下沿着支柱垂直上下动作，完成转向节的差压铸造。

（2）转向节差压铸造工艺 差压铸造的加压工艺过程分为6个阶段：上压力罐充气阶段，充气压力均为p；上压力罐压力递减阶段；由于下压力罐压力保持不变，铝液在压差作用下沿升液管上升进入到模具里，所以此为升液、充型阶段；保压阶段；互通阶段；排气卸压阶段。

铸造铝合金转向节浇注铝合金时，充气压力为0.5～0.6MPa,浇注温度710～725℃；模具工作温度150～280℃；不得高于360℃；保压和留模时间15～25s。

3. 差压铸造转向节热处理工艺

差压铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定速度冷却，以改变铝合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐蚀性，改善可加工性，获得尺寸的稳定性。

差压铸造转向节选择的热处理工艺参数为：加热到520℃保温20min，继续加热到535℃保温8h；在15s之内淬入60℃水中；淬后放入165℃保温炉中，保温6h，出炉室温冷却2h。

所谓固溶处理就是将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺，铝合金的固溶处理有三个目的：①使Mg、Si元素固溶到α（Al）基体中。②Mg、Si在α（Al）基体中均匀化。③共晶Si相形态在固溶过程中发生由纤维状向粒状形态的转变。将合金元素固溶到基体金属中形成固溶体以提高合金强度的方法称固溶强化。

固溶温度和固溶时间的选择为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，本例中选择固溶温度为535℃，时间为8h；加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体，所以本例中选择冷却温度60℃，时间为15s，其目的是保证在冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出相而降低时效强化效果。

图3 室内转向节疲劳台架试验

图4 施加在转向节上的载荷实时波形

4. 转向节疲劳试验验证

转向节属于汽车的安全部件，其安全等级为Ⅰ级。通过大量试验验证，转向节主要失效形式为疲劳破坏，鉴于汽车转向节的力学性能要求非常高，通常要通过转向节台架试验来验证其安全性。

道路疲劳试验具有试验工况真实、载荷准确的优点，但存在费时、费力、成本高、试验边界条件不一致及试验强化系数不同的缺点。转向节室内台架等幅波、载荷谱疲劳试验，具有强化系数可选择、时间短、费用低、边界条件一致的优点。因此，转向节的疲劳试验多采用室内台架试验完成，图3是室内转向节疲劳台架试验的实物图，图4为室内转向节台架试验载荷谱示意图。

台架设备为MTS液压伺服试验系统，载荷条件是单轴交变载荷，低频周期为4Hz，依据标准沃勒曲线比较受损程度，判据是沃勒曲线不允许在2×106范围内与应力循环曲线相交，转向节裂纹长度不大于1mm。以A356铝合金为基材，通过文中提到的热处理工艺处理后，经过转向节台架试验验证，铝合金转向节在安全性、疲劳寿命均满足产品要求。

5. 结语

在我国目前的生产力情况下，以A356铝合金为基材，采用差压铸造铝合金转向节的生产工艺已经成熟，配合适当的热处理工艺，完全可以满足道路车辆对转向节的安全性要求。差压铸造铝合金转向节工艺及其热处理工艺的成熟，实现了高性能铝合金汽车转向节的产业化与规模化应用，提高了我国汽车零部件产品的创新能力和自主品牌汽车的竞争力。

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