摘 要

 

以分體式實(shí)心新能源汽車制動盤盤體為對象，依據(jù)ProCAST仿真結(jié)果，設(shè)計了良好的澆注工藝參數(shù)，澆注系統(tǒng)內(nèi)添加半球形緩沖區(qū)域以實(shí)現(xiàn)順序凝固，優(yōu)化抽真空、充型及保壓三階段壓力參數(shù)，確定保壓時間為260s、凝固時間為180s，采用機(jī)械攪拌法鑄出表面良好的制動盤盤體。對盤體內(nèi)部進(jìn)行缺陷分析，發(fā)現(xiàn)盤體內(nèi)存在局部粗晶，過濾網(wǎng)前沿顆粒堆積達(dá)到30%（體積分?jǐn)?shù)），過濾后基體內(nèi)SiC含量僅為18%。將機(jī)械攪拌鑄造工藝改為超聲電磁復(fù)合攪拌后，盤體內(nèi)粗大枝晶解理破碎，SiC顆粒彌散均勻且顆粒含量為20%，符合要求。

 

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（PAMCs）具有輕質(zhì)、高熱導(dǎo)率、高耐磨性等特點(diǎn)，在航空航天、軍事工程等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。國內(nèi)鋁基復(fù)合材料無人機(jī)于2018年試飛，完成了無人機(jī)領(lǐng)域的產(chǎn)品更新迭代［1］；DWA公司將F-16戰(zhàn)斗機(jī)腹鰭的材料替換成SiC/Al復(fù)合材料，延長了戰(zhàn)斗機(jī)服役壽命［2］。相較于傳統(tǒng)6082鋁合金，通過微米級SiC顆粒增強(qiáng)并采用擠壓鑄造成形的PAMCs材料綜合力學(xué)性能提升顯著［3］。TiB2/7075復(fù)合材料中引入CNP/矩陣界面分別與TiB2、Al形成低失配多界面［4］，增強(qiáng)TiB2與7075鋁合金界面結(jié)合力，解決了鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度-塑性平衡問題。增材制造的2% SiCp/AlSi7Mg復(fù)合材料室溫耐磨性優(yōu)秀，納米級SiC顆粒和自生的Al4C3阻隔了點(diǎn)蝕進(jìn)一步擴(kuò)展，使其具備一定的抗蝕性［5］。基于能源再利用的全球理念，新能源汽車的推廣應(yīng)用成為趨勢。研究表明，通過基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件輕量化可以提升續(xù)航能力［6］，2021年國內(nèi)有企業(yè)首次采用粉末冶金工藝制備了120km/h軌道交通車輛鋁基復(fù)合材料制動盤，并于2022年將此技術(shù)再次成功地應(yīng)用到新能源汽車制動盤上［7］。

 

本研究采用真空吸鑄成形制動盤盤體，通過Pro?CAST軟件模擬分析，改善了鑄造工藝設(shè)計，并確定了澆注工藝參數(shù)。針對探傷檢測發(fā)現(xiàn)的基體內(nèi)局部粗晶等問題，采用改進(jìn)攪拌鑄造法，經(jīng)超聲探傷、切片熒光滲透檢測及金相檢測等驗(yàn)證，確認(rèn)改進(jìn)鑄造工藝的可行性，并獲得品質(zhì)合格的制動盤盤體。

 

1、 鑄造工藝仿真

 

基于分體通風(fēng)式新能源汽車制動盤的研發(fā)過程經(jīng)驗(yàn)［8］，經(jīng)計算確認(rèn)了設(shè)計開發(fā)的新能源汽車的分體式實(shí)心制動盤盤體，并通過復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展分析［9］確認(rèn)合適的盤體厚度為12mm，磨耗限定為2mm（見圖1），確保實(shí)際服役過程中盤體在連續(xù)急剎后的穩(wěn)定性及安全性。基于SiCp/Al復(fù)合材料的化學(xué)成分，添加形成ProCAST材料組［10］，最終經(jīng)真空吸鑄確認(rèn)汽車制動盤的成形穩(wěn)定性。

 

圖1

 

1.1 模型建立

 

圖2為三維制圖軟件中建立的盤體鑄造工藝模型，在ProCAST軟件中裝配好后切取裝配體的1/4軸對稱結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，見圖3，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)量分別為182856個和1045133個。

 

圖2

 

圖3

 

1.2 熱物參數(shù)設(shè)置

 

合金液流動遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律。以熱平衡方程來衡量充型過程中合金液與模具以及預(yù)制體間的熱量交換，根據(jù)真空吸鑄模型建立數(shù)學(xué)模型，將鋁合金液視為不可壓縮處理。因此在澆注時熔體需要同時依據(jù)質(zhì)量守恒定律中對運(yùn)動流體描述的連續(xù)性方程式，Al-7Si-0.3Mg（A356）合金熔液在充型過程中滿足動量守恒定律的N-S方程式［11］：

 

式中，D為3個方向的速度矢量和；u、v、w分別為流體在x、y、z方向的速度分量；p為單位密度的壓力；gx、gy、gz為x、y、z方向的重力加速度；t為時間；ρ為合金液密度；μ為動力黏度；∇2為拉普拉斯算子。

 

通過多次結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整擬合分析確認(rèn)3階段壓力參數(shù)：抽真空壓力為0MPa、充型壓力為0.050MPa、成形保壓壓力為0.060MPa。此外多組驗(yàn)證確認(rèn)最終的澆注工藝參數(shù)：澆注溫度為700~715℃,上模控制溫度為290~320℃,下模控制溫度為340~360℃,澆口預(yù)熱溫度為320~340℃。

 

1.3 分析結(jié)果

 

通過Visual-Environment后處理程序?qū)崿F(xiàn)Pro?CAST鑄造模擬。對澆注系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，澆口上方添加半圓球狀的緩沖區(qū)域，更利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固。圖4為鑄件的組合截面內(nèi)溫度分布云圖。可以看出，遠(yuǎn)離澆口比靠近澆口處的金屬液先凝固，鑄件內(nèi)沒有孤立的熱節(jié)區(qū)域，熱節(jié)轉(zhuǎn)移至半球狀區(qū)域下方避免鑄件缺陷。

 

圖5為制動盤縮松縮孔缺陷預(yù)測圖及凝固時間分布云圖。根據(jù)圖4a中的垂直雙截面中用等固相線法［12］確定鑄件凝固時間約為180s，而保證鑄件整體致密性而確定保壓時間需要約為260s。

 

在圖4a的截面A與截面B上分別截取局部位置點(diǎn)的兩條補(bǔ)縮通道，見圖6。可以發(fā)現(xiàn)，兩條補(bǔ)縮通道上點(diǎn)的溫度曲線皆呈臺階式分布，按照位置點(diǎn)的順序凝固。

 

綜上，采用近似真空環(huán)境的反重力吸鑄成形工藝，鑄件整體致密度良好，可實(shí)現(xiàn)順序凝固并且補(bǔ)縮效果良好。

 

圖4

 

圖5

 

圖6

 

2、 試驗(yàn)結(jié)果分析

 

2.1 存在問題

 

根據(jù)鑄造仿真結(jié)果，反重力吸鑄完成制動盤盤體制備后，對盤體面采用超聲掃描進(jìn)行探傷，掃描過程中未發(fā)現(xiàn)裂紋、縮松等缺陷，但局部成像顯示密集型草狀雜波，因此對該部位標(biāo)記并進(jìn)行本體解剖取樣分析。圖7為解剖后的SEM斷口形貌及其能譜分析。從圖7a可以看出，斷口截面存在顏色較深的片狀異常組織，放大后為羽毛狀粗大孿晶組織。表1為A356.2鋁合金化學(xué)成分。對比圖7b和表1，并考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中的偏差及試驗(yàn)誤差，確定其組織成分與SiCp/A356復(fù)合材料成分相當(dāng)；攪拌鑄造法制備SiCp/Al復(fù)合材料時，由于其制備溫度較高，致使復(fù)合材料中晶粒粗大［13］。在不發(fā)生界面反應(yīng)前提下，盡量提升復(fù)合材料熔體溫度以保證其整體流動性，因此在較高的成形溫度下，毛坯內(nèi)部局部易出現(xiàn)粗大枝晶。

 

液相制備鋁基復(fù)合材料方法中常用物理過濾法除渣。長時間吸鑄過程中SiC顆粒會逐步沉積至爐底，致使?fàn)t底余料中顆粒含量提升，即生產(chǎn)的鋁基復(fù)合材料制動盤盤體內(nèi)SiC顆粒含量相對降低；攪拌鑄造法中SiC顆粒不能有效地隨著鋁合金基體熔液穿過濾網(wǎng)進(jìn)入另一側(cè)。對過濾系統(tǒng)取樣分析，發(fā)現(xiàn)過濾網(wǎng)前沿顆粒堆積，采用蔡司Stemi 508光學(xué)顯微鏡提取SiCp物相［8］，顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)30%，余下顆粒隨熔體進(jìn)入金屬型腔，致使汽車制動盤盤體內(nèi)部SiC顆粒含量降至18%，低于材料技術(shù)規(guī)范（顆粒體積分?jǐn)?shù)為19%~21%），見圖8。

 

圖7

 

 

表1

 

圖8

 

2.2 工藝改進(jìn)

 

引入超聲振動輔助攪拌后能夠有效地防止形成粗大枝晶［14］；張楨林等［15］采用電磁攪拌吸鑄的方法制備了鋁基復(fù)合材料軌道交通制動盤，發(fā)現(xiàn)盤體內(nèi)金相組織更為均勻。相較于超聲振動或電磁攪拌制備工藝方法，焦雷等［16］在超聲和磁場耦合作用下合成的TiB2/7055Al復(fù)合材料試樣內(nèi)晶粒得到了更進(jìn)一步細(xì)化。

 

為解決粗大枝晶和顆粒堆積問題，將機(jī)械攪拌工藝改為超聲振動和電磁攪拌的復(fù)合攪拌工藝來制備鋁基復(fù)合材料，見圖9。將預(yù)處理過的干燥SiC顆粒加入640℃鋁熔體中，在混合初期打開超聲振動裝置（第1振動頻率為10kHz，第1振動功率為1kW），打開電磁攪拌調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至150～300r/min，并關(guān)閉加熱系統(tǒng)維持30min。降溫過程中調(diào)節(jié)超聲振動裝置（第2振動頻率為20kHz，第2振動功率為2kW），電磁攪拌控制轉(zhuǎn)速為300～500r/min，維持1h的半固態(tài)超聲攪拌實(shí)現(xiàn)復(fù)合制備。

 

超聲振動產(chǎn)生的聲流運(yùn)動主要沿變幅桿軸向，超聲前沿瞬時沖擊使粗大樹枝晶破碎為細(xì)小的等軸晶、非枝晶結(jié)構(gòu)的晶粒，而低頻旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的熔體攪拌主要沿著變幅桿切向方向，帶動合金熔體內(nèi)增強(qiáng)顆粒的渦旋運(yùn)動，電磁與超聲相互促進(jìn)，使整個熔體發(fā)生強(qiáng)烈攪拌，解聚已形成的團(tuán)聚，抑制晶界處顆粒偏聚，促進(jìn)顆粒彌散分布。同時在超聲毛細(xì)管效應(yīng)誘導(dǎo)下［17］，SiCp/Al熔體的流動性得到提升。過濾系統(tǒng)前沿，在電磁超聲共同作用下，解聚分散的單個SiC顆粒隨著超聲振動下的高能熔體快速穿過層層濾網(wǎng)，振動輻射余能促使微米級SiC顆粒快速擺脫過濾孔隙內(nèi)壁吸附能，隨著熔體最終進(jìn)入金屬型腔。在相同的澆注參數(shù)下，成功制備出汽車制動盤盤體毛坯。

 

圖9

 

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

 

圖10為分體式實(shí)心汽車制動盤實(shí)體，未觀察到密集型草狀雜波，同時盤體內(nèi)取樣并通過光學(xué)顯微鏡觀察，根據(jù)按GB/T 32496-201確認(rèn)盤體內(nèi)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為20%。對比機(jī)械攪拌制備下因過濾網(wǎng)前沿顆粒堆積造成鑄件內(nèi)部SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)僅有18%，超聲電磁復(fù)合攪拌工藝確保了基體顆粒體積分?jǐn)?shù)符合要求，同時顆粒均勻分散，見圖11。對盤體進(jìn)行切片處理，對截面缺陷進(jìn)行分析，見圖12。發(fā)現(xiàn)切片截面上存在φ（0.3～0.8）mm的針孔，無明顯的熱節(jié)縮松缺陷，符合技術(shù)條件要求，且后期縮比制動試驗(yàn)中也未出現(xiàn)因此產(chǎn)生的裂紋，進(jìn)一步驗(yàn)證了盤體鑄造工藝的可靠性。綜上，采用超聲電磁復(fù)合攪拌工藝得到了合格汽車制動盤。

 

圖10

 

圖11

 

圖12

 

結(jié) 論

 

（1）ProCAST優(yōu)化真空吸鑄三階段壓力參數(shù)0、0.05、0.06MPa，固化保壓時間為260s，凝固時間為180s，成功吸鑄出表面質(zhì)量良好的制動盤。

 

（2）ProCAST軟件能夠?qū)ζ囍苿颖P盤體的真空吸鑄工藝設(shè)計提供指導(dǎo)，通過澆口上方添加半球形緩沖區(qū)域，擬合發(fā)現(xiàn)盤體內(nèi)部無孤立熱節(jié)，通過打開補(bǔ)縮通道實(shí)現(xiàn)順序凝固，經(jīng)過試驗(yàn)分析確認(rèn)內(nèi)部品質(zhì)良好，無明顯的縮松、縮孔。

 

（3）以超聲輔助電磁攪拌的復(fù)合方法代替機(jī)械攪拌法，破碎枝晶并細(xì)化晶粒。對比兩種方法下盤體內(nèi)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)，在同樣澆注參數(shù)下，SiC顆粒在濾網(wǎng)前沿堆積造成產(chǎn)品內(nèi)部體積分?jǐn)?shù)降至18%，經(jīng)過超聲毛細(xì)管效應(yīng)SiC顆粒更容易穿過濾網(wǎng)，保證了基體中顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%，SiC顆粒隨著超聲、電磁攪拌進(jìn)一步均勻分布于基體A356合金之中。

 

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