新能源汽车铝合金压铸电池罩盖的工艺研究
2023-10-31 15:51
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
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。
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。
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。
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。
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。
“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。
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。
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
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。
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