新能源汽车自动变速器壳体压铸成型技术

1) 时间控制技术
时间控制主要是指填充时间、增压建压时间，持压时间及留模时间的控制。这些时间的确定主要是压力、速度、温度、熔融金属物理特性、铸件结构、模具结构等多因素的综合作用结果。因此，时间在压铸工艺上是至关重要的。但由于涉及因素较多，其控制难度很大。熔融金属在压力作用下开始进入型腔直到充满的过程所需的时间称为填充时间，是填充过程中各种因素相互协调程度的综合反映。填充时间的确定基于以下因素: 合金浇铸温度高时，填充时间可选长些; 模具温度高时，填充时间可选长些; 铸件厚壁部分离内浇口远时，填充时间可选长些; 熔化潜热和比热高的合金，填充时间可选长些。增压建压时间是指熔融金属在充型过程中的增压阶段，从充满型腔的瞬时开始，直至增压压力达到预定值所需建立起来的时间，亦即压射比压上升到增压比压建立起来所需的时间。熔融金属充满型腔后，使熔融金属在增压比压作用下凝固的这段时间，称为持压时间。持压作用是使压射冲头将压力通过还未凝固的余料、浇口部分的金属传递到型腔，使正在凝固的金属在高压下结晶，从而获得致密的铸件。

2． 2 压铸用新型铝合金的研发
传统压铸铝合金种类较多，就其体系而言，主要包括Al －Si 系、Al －Si －Cu 系、Al －Si －Mg 系、Al －Mg 系。每一种体系的物理性能、力学性能及工艺性能明显不同。Al －Si 系压铸铝合金一般为共晶铝合金，抗热裂性能及流动性能较好，但无法进行热处理强化且抗拉强度较低; Al－ Si －Mg 系压铸铝合金一般为亚共晶铝合金，具有较好的抗腐蚀性能，冲击韧性和屈服强度也较高，但是材料的铸造性能较差。Al －Mg 系与Al －Si －Mg 系类似，耐腐蚀性能与冲击韧性都相对较好，但是铸造性能较差。由于本文关注的新能源汽车用带有内齿轮结构的变速器壳体局部结构复杂，则要求采用的铝合金在压铸过程中流动性应比较好; 齿轮耐磨，则要求铝合金的硬度较高。上述的Al－ Si 系、Al －Si －Mg 系、Al －Mg 系均难以同时满足产品要求。对于Al －Si －Cu 系而言，不论是亚共晶的YL112 还是过共晶的 YL113 和 YL117，其流动性能都非常优异，可以满足成型复杂压铸件的需求，对模具型腔复杂部分可以较好地充填。另外，Al － Si － Cu 系的铝合金气密性、抗热裂性能较好。另外，热膨胀系数较低，压铸件成型后不易变形。Al －Si －Cu 系最突出的优点是耐磨性能较好。

所以，从本文关注的具有局部复杂结构、尺寸精度以及耐磨性要求较高的新能源汽车用变速器壳体，只有采用Al－Si －Cu 系才能同时满足几方面的综合要求。
在硬度方面较为突出的Al －Si －Cu 系典型牌号为YL117( YZAlSi17Cu5Mg) ，其布氏硬度值约为HB100 －110; 对于Al －Zn 系压铸铝合金而言，硬度值相对较大的为 ZL401，其硬度值约为 HB80 － 90。ZL401 铸造性能优良，线收缩率低并具有良好的室温力学性能、切削加工性能和焊接性。其主要缺点是合金的热强性不高，密度大，耐蚀性也较差。所以从耐腐蚀性能以及减重方面的要求，ZL401 是难以满足产品要求的。

但YL117 的硬度还不足以解决内齿轮耐磨性的问题。所以为解决压铸铝合金的耐磨性问题，还需在Al －Si－ Cu 系的基础上对其成分优化设计。首先，基于耐磨性以及提高流动性能的要求，必须提高合金中的硅含量，硅含量超出12% 后，则形成过共晶的Al －Si 二元合金系，其流动性能优异，可以满足复杂压铸件的充型要求; 其次，提高硅含量可以大大提高合金耐磨性。此外，提高硅元素含量还可以减小热裂、缩松倾向，提高压铸件的致密度。单纯从提高耐磨性的角度来看，硅元素的含量甚至可以高达25 －28%。但是，硅元素含量过高，将导致很多的问题。过共晶的高硅Al －Si 合金组织中常出现多边形初晶硅和长条形共晶硅。而共晶硅易呈针片状或长条状，严重削弱合金的机械性能，并且由于局部的共晶硅硬度值过高，对后续的切削性能造成严重的危害。尽管如此，世界范围内发展高硅压铸铝合金的趋势不可逆转。重庆有色金属研究所及北京航空材料研究院都研发了具有高硅含量的新型耐磨铝合金，最高的Si 元素含量为28% ，其耐磨性相对于传统压铸铝合金有了大幅度提升。德国BENZ 公司也研发了高硅压铸铝合金，主要应用于V6 发动机缸套，其耐磨性能与铸铁缸套相当。

在过共晶的高硅铝合金中加入Cu 元素，除了考虑Cu 元素的固溶强化的作用，还考虑到Cu 元素易于其他合金元素容易产生金属间化合物相和共晶组织，作为合金中的强化相和耐磨相，可以有效提高压铸铝合金的硬度和强度。在Mg 元素添加至过共晶的Al －Si 合金中后，除少量与铝形成固溶体，主要与Si 元素可形成Mg2Si 沉淀相，通过弥散强化的作用机制提高压铸铝合金的综合性能。此外，Mg 还可抑制 Fe 相的有害作用。当含 Fe 量增加时，可形成Al －Fe －Si －Mg 化合物，从而减少Fe 的危害。但过量的Cu、Mg 元素加入，易造成成分偏析，使合金性能不均匀。另外过量Cu 元素的加入将严重降低合金的耐腐蚀性。

稀土元素由于拥有独特的性质在金属材料的应用中得以广泛重视。适量的稀土元素的加入可以提高组织稳定性以及提高合金的综合性能。稀土元素在铝合金中的强化作用主要表现在固溶强化、细晶强化以及第二相析出时的弥散强化。有研究表明，适量的Ce 加入，一方面可以细化合金晶粒; 另一方面，可以形成针状析出相，提高合金的耐磨性能。但过量的稀土元素加入后的合金在承受磨损的工况时，表面存在大量剥落坑，与大量析出相存在直接关系。稀土氧化物具有熔点高、比重大的特征。适量的稀土氧化物的加入，可以将铝合金的耐磨性提高20% 以上。

通过在高硅过共晶Al －Si 铝合金体系中添加Cu、Mg 元素、稀土元素及稀土氧化物，可以显著改善压铸铝合金的耐磨性及其综合力学性能，必然成为耐磨压铸件选材或合金设计的必然趋势。

2. 3 内齿轮表面局部强化技术
对新能源汽车用的压铸铝合金变速器壳体的内齿轮进行局部表面强化，目前主要有以下三大类重要方法。

a) 原位氧化方法
原位氧化方法，主要包括化学氧化、阳极氧化、微弧氧化等方法。化学氧化法是在一定温度下，通过化学反应在铝合金表面生成一层薄的氧化膜。这种膜很薄，膜层质软，耐磨性很低，故不能单独使用。常规阳极氧化是以铝合金为阳极，用铅、碳或不锈钢做阴极，在草酸、硫酸、铬酸等电解液中氧化，得到纳米孔排列高度有序的多孔型阳极氧化铝膜。该膜是由致密的阻挡层和柱状结构的多孔层组成的双层结构。微弧氧化又称等离子体氧化，是在阳极氧化基础上，在金属表面原位生长陶瓷层的一种表面处理技术。其原理是在碱性溶液中，在微弧氧化专用电源所提供的外加电场作用下，使阳极工件表面在高于法拉第放电区外的微弧区产生微弧放电，同时产生瞬间高温高压，在电、热、等离子体等因素作用下，反应生成氧化铝陶瓷薄层，厚度可自 1 μm 至 200 μm 甚至更大，具有很高的硬度和耐磨、耐高温性。

b) 表面碾磨( SMAT) 方法
通过在高频、多向的载荷作用，在金属材料表面通过强烈的塑性变形 获得一层无孔隙、无污染且与基体没有结合界面的纳米晶层，即实现材料表面的纳米化。由于表面纳米化，能够通过表面组织的优化明显地提高材料表面和整体的综合性能，并且在工业上易于实现，可望取得实际应用。但由于表面纳米晶化的研究刚刚起步，近年来已有文献初步对不同金属表面采用表面机械研磨技术成功制备出纳米晶结构层，包括铝合金、低碳钢、不锈钢、工业纯钛等立方结构材料。目前，表面碾磨的变形机制尚未完全掌握。另外，对于具有复杂形状的零件的表面碾磨，工艺和技术尚难以真正应用。

c) 外部引入硬质涂层方法
采用物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂等技术将硬质或超硬涂层从外部引入到铝合金表面的方法。但现有的方法一般都难以实现在复杂压铸件表面局部进行涂层 制备。

3、结论
1) 采用有限元方法对新能源汽车用变速器壳体的压铸进行仿真计算是必须的，可以对压铸模具的型腔结构、浇排系统、熔体填充、凝固及模具热应力进行优化计算。另外，对压铸时的温度及时间等关键工艺参数必须进行严格控制;

2) 为满足新能源汽车用变速器壳体内齿轮耐磨性的要求，需采用过共晶高硅铝合金，在控制Cu 元素和Mg 元素含量的基础上，应添加稀土元素或稀土氧化物，以改善压铸铝合金的综合性能;

3) 采用微弧氧化技术可以对新能源汽车用铝合金变速器壳体的内齿轮进行局部强化，形成硬质且较厚的氧化铝层，能够满足内齿轮的产品要求且易实现工业化生产。