一种铝合金集成式电驱动总成安装框架及其低压铸造方法
技术领域
本发明涉及铝合金铸造，具体地指一种铝合金集成式电驱动总成安装框架及其低压铸造方法。
背景技术
在能源危机、环境污染及地球温室效应加剧等问题的压力下，现在汽车零部件迫切需要向着轻量化方向发展。铝合金是目前汽车材料中应用最多的轻质材料，汽车用铝合金材料主要包括铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金主要用于发动机、壳体类和底盘部件，是汽车用铝合金的主要形式。
承载式支架总成多数采用高强钢板冲焊方法生产。冲焊方法生产的支架总成，其零部件数量多，需要经过冲压，焊接多道工序形成，制造成本高。若成采用高性能铝合金及低压铸造方法开发支架总成，在满足产品功能要求和各项性能的前提下，不仅可以减少整车零部件数量，简化零部件制造过程，还会促进汽车零部件轻量化的发展。
公开号为CN106925756A的中国发明专利中公开了一种铝合金副车架的低压铸造制备方法，其中材料重量百分比为：6.5～7.5％Si，0.25～0.6％Mg，0.05～0.30％Ti，0～0.5％RE，Fe0.2％max，Cu0.2％max,Mn0.1％max，Zn0.1％max，其余为铝，经低压铸造后材料的抗拉强度大于264Mpa、屈服强度大于210Mpa，延伸率大于2％，硬度大于HB96。上述材料需要用到RE材料，成本高，且上述材料的力学性能指标存在不足，无法满足集成式电驱动总成安装框架的制备需要。
电驱动总成安装框架需要搭载的零部件为新能源汽车的驱动系统的重要部件，框架通过三个悬置固定在车身上，搭载在框架上的零部件总重大，根据仿真分析结果，结合实际工况，确定框架的屈服强度需要大于235Mpa，产品前期采用冲焊件，存在自重大、工序多、制造周期长和价格高等不足。
因此，需要开发出一种成本低且力学性能优良的铝合金集成式电驱动总成安装框架及其低压铸造方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种成本低且力学性能优良的铝合金集成式电驱动总成安装框架及其低压铸造方法。
本发明的技术方案为：一种铝合金集成式电驱动总成安装框架，其特征在于，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：
Si 8.3-9.7％，Cu 0.8-1.5％，Mg 0.25-0.65％，Mn 0.15-0.55％，Ti 0.10-0.20％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。铝合金材料中，Fe和Zn均为不可避免的杂质，因此本发明中Fe最大含量不超过0.2％，Zn最大含量不超过0.15％。
优选的，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：
Si 8.4％-9.2％，Cu 1.0％-1.4％，Mg 0.25-0.65％，Mn 0.15-0.55％，Ti 0.10-0.20％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。
本发明还提供一种上述铝合金集成式电驱动总成安装框架的低压铸造方法，其特征在于，步骤为：
A、将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理；
B、进行模具准备：将金属模块的型腔表面喷砂处理，加热至230-250℃后喷涂底层涂料并烧结，烧结完成后，继续在型腔表面喷涂面层涂料，面层涂料喷涂分两次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待型腔表面温度降至160-180℃时，进行第二次喷涂，两次喷涂总厚度为40-200μm待金属模块冷却后组装形成模具整体，预热备用；
C、将步骤A所得的铝合金材料注入步骤B准备的模具中低压铸造；
D、将所得铸件进行热处理、机加工，得到集成式电驱动总成安装框架。
优选的，所述步骤A将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理包括以下过程：将原料按配比放入燃气熔化炉内加热熔化，铝合金液温度升至760-780℃时转入预热好的中转包，铝合金液温度调整到720-740℃后加入AlSr10变质剂、AlTi5B1细化剂，并通入氩气进行精炼除气处理，精炼除气处理时间为9-12min，气体流量为19-20LPM，精炼完成后除渣，铝合金液静置并降温至700-720℃后转入低压铸造机保温炉等待浇注。
进一步的，步骤B模具准备为：将金属模块的型腔表面喷砂处理，再放入台车式电阻炉加热至230-250℃，取出在型腔表面喷涂底层涂料，涂料厚度10-15μm，喷涂结束后送入电阻炉进行涂层烧结，烧结温度200-240℃，烧结时间1小时；取出金属模块在型腔表面继续进行面层涂料的喷涂，面层涂料喷涂分二次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待模具表面温度降至160-180℃时，进行第二次喷涂，两次喷涂总厚度为40-200μm；
待金属模块冷却至常温后组装成模具整体，将组装完成的模具固定在低压铸造机的上下底板上，模具型腔表面采用天然气预热，预热温度达到350-400℃时进行合模备用。
进一步的，步骤C中的低压铸造包括以下过程：
铝合金材料在温度700-710℃浇注，浇注过程分四阶段进行，第一阶段压力230-235mbar、时间15s，第二阶段压力280-285mbar、时间7s，第三阶段压力320-325mbar、时间4s，第四阶段压力400-450mbar、时间4s，第四阶段压力下保压时间100s，卸压后，铸件在模具中冷却时间240s。
进一步的，步骤D中的热处理包括以下过程：将铸件进行固溶及完全人工时效热处理，固溶热处理温度500℃-510℃、时间4-6h，淬火温度75℃-85℃、时间4-6min，时效热处理温度170-180℃、时间5-8h。
本发明的有益效果为：
1.无需添加稀土元素RE，硅Si元素含量高于现有技术约2％(元素上下限平均值)，铜Cu元素高约1.2％，锰Mn元素高约0.25％，Al-Si合金中加入Mg、Cu，在合金中会形成多种化合物Mg2Si、CuAl2和四元相W(AlxMg5Cu4Si4)，这些化合物都是铝合金中的强化相，其中W相的热处理强化效果最好，Mg2Si次之，热强性则以CuAl2最好。合金中加入Mn除了起固溶强化作用外，还能改变针状富铁相的形状，形成骨架状的AlFeMnSi相，改善合金的塑形。合金中存在这些相会在热处理后沉积硬化，对力学性能提升有较大帮助，尤其是对抗拉强度和屈服强度提升显著，使零件可承受重大载荷。使本发明铸件的抗拉强度大于335MPa，屈服强度大于305MPa，延伸率大于2.5％，硬度大于HB118，力学性能大幅提升。
2.铸造工艺中采用金属铸型，与现有技术树脂砂型铸型相比，得到的铸件尺寸公差小、表面粗糙度小，金属铸型适用于大批量生产，使用寿命一般可达5～8万件。由于金属铸型的激冷作用，同等低压铸造工艺条件下，同等铝合金，金属铸型生产的铸件比砂型生产的铸件，力学性能有较大提升，抗拉强度比砂型铸造会提升15％，具体原理为金属型的热导率和热容量大，铸件冷却速度快，铸件组织致密，组织决定了性能，所以抗拉强度增长的同时布氏硬度HBS也会有一定幅度提升。
3.与现有的多零件焊接的电驱动总成安装框架相比，本发明制备得到整体的铝合金电驱动总成安装框架，减少整车零部件，使整车轻量化，其良好力学性能拓宽了应用工况。
附图说明
图1为本发明制得电驱动总成安装框架实物图片(顶视图)
图2为本发明制得电驱动总成安装框架实物图片(底视图)
图3为图1的电驱动总成安装框架(a)部分的X射线照片
图4为图1的电驱动总成安装框架(b)部分的X射线照片
图5为图2的电驱动总成安装框架(c)部分的X射线照片
图6为图2的电驱动总成安装框架(d)、(e)部分的X射线照片
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明提供一种铝合金集成式电驱动总成安装框架，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：Si：8.4％，Cu：1.4％，Mg：0.65％，Mn：0.55％，Ti：0.20％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。
以上铝合金材料的低压铸造方法为：
A、将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理：将原料按上述组分配比放入燃气熔化炉内，加热熔化，铝合金液温度升至760℃时，转入预热好的中转包，合金液温度调整到720℃后加入AlSr10变质剂、AlTi5B1细化剂，并通入氩气进行精炼除气处理，精炼除气处理时间为9min，气体流量为19LPM精炼完成后除渣。铝合金液静置并降温至700℃后转入低压铸造机保温炉等待浇注。
B、进行模具准备：将金属模块的型腔表面喷砂处理，再放入台车式电阻炉加热至230℃，取出模块后在型腔表面喷涂底层涂料(DR87，福士科公司产品)，涂料厚度10μm,喷涂结束后，送入电阻炉进行涂层烧结，烧结温度200℃，烧结时间1小时。随后取出模块在型腔表面进行面层涂料(D34，福士科公司产品)的喷涂，面层涂料喷涂分二次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待模具表面温度降至180℃时，进行第二次喷涂，第二次喷涂厚度按作业指导书要求对各部位进行喷涂，总的范围为40-200μm。待模块冷却后，进行模具的组装。将组装完成的模具固定在低压铸造机的上下底板上，模具型腔表面采用天然气预热，预热温度达到350℃时进行合模备用。
C、将步骤A所得的铝合金材料注入步骤B准备的模具中低压铸造：铝合金浇注温度700℃，浇注过程分四阶段进行，第一阶段压力230mbar(毫巴)、时间15s，第二阶段压力280mbar、时间7s，第三阶段压力320mbar、时间4s，第四阶段压力400mbar、时间4s，第四阶段压力下保压时间100s，卸压后，铸件在模具中冷却时间240s。成型结束后，开模取出铸件，检查其外观质量及表面缺陷。产品合格率达95％以上。
D、将所得铸件进行热处理、机加工，得到集成式电驱动总成安装框架，固溶热处理温度及时间为510℃×6h，淬火温度及时间85℃×6min，时效热处理温度及时间为180℃×5h。
本实施例制得产品取样进行力学性能检测，抗拉强度大于335MPa，屈服强度大于305MPa，延伸率大于2.5％，硬度大于HB118。
实施例2
本发明提供一种铝合金集成式电驱动总成安装框架，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：Si：9.2％，Cu：1％，Mg：0.55％，Mn：0.45％，Ti：0.18％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。
以上铝合金材料的低压铸造方法为：
A、将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理：将原料按上述组分配比放入燃气熔化炉内，加热熔化，铝合金液温度升至765℃时，转入预热好的中转包,合金液温度调整到725℃后加入AlSr10变质剂、AlTi5B1细化剂，并通入氩气进行精炼除气处理，精炼除气处理时间为10min，气体流量为19LPM，精炼完成后除渣，取样检测铝样密度当量。铝合金液静置并降温至705℃后转入低压铸造机保温炉等待浇注。
B、进行模具准备：将金属模块的型腔表面喷砂处理，再放入台车式电阻炉加热至240℃，取出金属模块后在型腔表面喷涂底层涂料(DR87)，涂料厚度12μm,喷涂结束后，送入电阻炉进行涂层烧结，烧结温度210℃，烧结时间1小时。随后取出金属模块在型腔表面进行面层涂料(D34)的喷涂，面层涂料喷涂分二次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待模具表面温度降至170℃时，进行第二次喷涂，第二次喷涂厚度按作业指导书要求对各部位进行喷涂，总的范围为40-200μm。待金属模块冷却至常温后组装成模具整体，将组装完成的模具固定在低压铸造机的上下底板上，模具型腔表面采用天然气预热，预热温度达到360℃时进行合模备用。
C、将步骤A所得的铝合金材料注入步骤B准备的模具中低压铸造：铝合金浇注温度705℃，浇注过程分四阶段进行，第一阶段压力232mbar(毫巴)、时间15s，第二阶段压力282mbar、时间7s，第三阶段压力322mbar、时间4s，第四阶段压力410mbar、时间4s，第四阶段压力下保压时间100s，卸压后，铸件在模具中冷却时间240s。成型结束后，开模取出铸件，检查其外观质量及表面缺陷。产品合格率达95％以上。
D、将所得铸件进行热处理、机加工，得到集成式电驱动总成安装框架，固溶热处理温度及时间为505℃×5.5h，淬火温度及时间83℃×5min，时效热处理温度及时间为172℃×8h。
本实施例制得产品取样进行力学性能检测，抗拉强度大于330MPa，屈服强度大于297MPa，延伸率大于3％，硬度大于HB110。
实施例3
本发明提供一种铝合金集成式电驱动总成安装框架，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：Si：8.3％，Cu：0.8％，Mg：0.35％，Mn：0.25％，Ti：0.13％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。
以上铝合金材料的低压铸造方法为：
A、将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理：将原料按上述组分配比放入燃气熔化炉内，加热熔化，铝合金液温度升至770℃时，转入预热好的中转包,合金液温度调整到730℃后加入AlSr10变质剂、AlTi5B1细化剂，并通入氩气进行精炼除气处理，精炼除气处理时间为10min，气体流量为20LPM，精炼完成后除渣，取样检测铝样密度当量。铝合金液静置并降温至710℃后转入低压铸造机保温炉等待浇注。
B、进行模具准备：将金属模块的型腔表面喷砂处理，再放入台车式电阻炉加热至245℃，取出金属模块后在型腔表面喷涂底层涂料(DR87)，涂料厚度12μm,喷涂结束后，送入电阻炉进行涂层烧结，烧结温度220℃，烧结时间1小时。随后取出金属模块在型腔表面进行面层涂料(D34)的喷涂，面层涂料喷涂分二次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待模具表面温度降至175℃时，进行第二次喷涂，第二次喷涂厚度按作业指导书要求对各部位进行喷涂，总的范围为40-200μm。待金属模块冷却至常温后组装成模具整体，将组装完成的模具固定在低压铸造机的上下底板上，模具型腔表面采用天然气预热，预热温度达到370℃时进行合模备用。
C、将步骤A所得的铝合金材料注入步骤B准备的模具中低压铸造：铝合金浇注温度705℃，浇注过程分四阶段进行，第一阶段压力233mbar(毫巴)、时间15s，第二阶段压力283mbar、时间7s，第三阶段压力323mbar、时间4s，第四阶段压力420mbar、时间4s，第四阶段压力下保压时间100s，卸压后，铸件在模具中冷却时间240s。成型结束后，开模取出铸件，检查其外观质量及表面缺陷。产品合格率达95％以上。
D、将所得铸件进行热处理、机加工，得到集成式电驱动总成安装框架，固溶热处理温度及时间为505℃×4.5h，淬火温度及时间80℃×5min，时效热处理温度及时间为173℃×7.5h。
本实施例制得产品取样进行力学性能检测，抗拉强度大于324MPa，屈服强度大于285MPa，延伸率大于3％，硬度大于HB108。
实施例4
本发明提供一种铝合金集成式电驱动总成安装框架，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：Si：9.7％，Cu：1.5％，Mg：0.25％，Mn：0.15％，Ti：0.10％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。
以上铝合金材料的低压铸造方法为：
A、将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理：将原料按上述组分配比放入燃气熔化炉内，加热熔化，铝合金液温度升至770℃时，转入预热好的中转包,合金液温度调整到735℃后加入AlSr10变质剂、AlTi5B1细化剂，并通入氩气进行精炼除气处理，精炼除气处理时间为12min，气体流量为20LPM，精炼完成后除渣，取样检测铝样密度当量。铝合金液静置并降温至715℃后转入低压铸造机保温炉等待浇注。
B、进行模具准备：将金属模块的型腔表面喷砂处理，再放入台车式电阻炉加热至245℃，取出金属模块后在型腔表面喷涂底层涂料(DR87)，涂料厚度15μm,喷涂结束后，送入电阻炉进行涂层烧结，烧结温度230℃，烧结时间1小时。随后取出金属模块在型腔表面进行面层涂料(D34)的喷涂，面层涂料喷涂分二次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待模具表面温度降至175℃时，进行第二次喷涂，第二次喷涂厚度按作业指导书要求对各部位进行喷涂，总的范围为40-200μm。待金属模块冷却至常温后组装成模具整体，将组装完成的模具固定在低压铸造机的上下底板上，模具型腔表面采用天然气预热，预热温度达到390℃时进行合模备用。
C、将步骤A所得的铝合金材料注入步骤B准备的模具中低压铸造：铝合金浇注温度705℃，浇注过程分四阶段进行，第一阶段压力234mbar(毫巴)、时间15s，第二阶段压力284mbar、时间7s，第三阶段压力324mbar、时间4s，第四阶段压力440mbar、时间4s，第四阶段压力下保压时间100s，卸压后，铸件在模具中冷却时间240s。成型结束后，开模取出铸件，检查其外观质量及表面缺陷。产品合格率达95％以上。
D、将所得铸件进行热处理、机加工，得到集成式电驱动总成安装框架，固溶热处理温度及时间为505℃×5h，淬火温度及时间78℃×4.5min，时效热处理温度及时间为170℃×6.5h。
本体取样进行力学性能检测，抗拉强度大于332MPa，屈服强度大于303MPa，延伸率大于2.5％，硬度大于HB116。
实施例5
本发明提供一种铝合金集成式电驱动总成安装框架，所用铝合金材料包括以下按重量百分数计的各成分：Si：9.0％，Cu：1.15％，Mg：0.45％，Mn：0.35％，Ti：0.15％，Fe≤0.2％，Zn≤0.15％，其余为Al。
以上铝合金材料的低压铸造方法为：
A、将铝合金材料进行熔炼、精炼细化处理：将原料按上述组分配比放入燃气熔化炉内，加热熔化，铝合金液温度升至780℃时，转入预热好的中转包,合金液温度调整到740℃后加入AlSr10变质剂、AlTi5B1细化剂，并通入氩气进行精炼除气处理，精炼除气处理时间为12min，气体流量为20LPM，精炼完成后除渣，取样检测铝样密度当量。铝合金液静置并降温至720℃后转入低压铸造机保温炉等待浇注。
B、进行模具准备：将金属模块的型腔表面喷砂处理，再放入台车式电阻炉加热至250℃，取出金属模块后在型腔表面喷涂底层涂料(DR87)，涂料厚度15μm,喷涂结束后，送入电阻炉进行涂层烧结，烧结温度240℃，烧结时间1小时。随后取出金属模块在型腔表面进行面层涂料(D34)的喷涂，面层涂料喷涂分二次进行，第一次喷涂厚度20-40μm，待模具表面温度降至160℃时，进行第二次喷涂，第二次喷涂厚度按作业指导书要求对各部位进行喷涂，总的范围为40-200μm。待金属模块冷却至常温后组装成模具整体，将组装完成的模具固定在低压铸造机的上下底板上，模具型腔表面采用天然气预热，预热温度达到400℃时进行合模备用。
C、将步骤A所得的铝合金材料注入步骤B准备的模具中低压铸造：铝合金浇注温度710℃，浇注过程分四阶段进行，第一阶段压力235mbar(毫巴)、时间15s，第二阶段压力285mbar、时间7s，第三阶段压力325mbar、时间4s，第四阶段压力450mbar、时间4s，第四阶段压力下保压时间100s，卸压后，铸件在模具中冷却时间240s。成型结束后，开模取出铸件，检查其外观质量及表面缺陷。产品合格率达95％以上。
D、将所得铸件进行热处理、机加工，得到集成式电驱动总成安装框架，固溶热处理温度及时间为500℃×4h，淬火温度及时间75℃×4min，时效热处理温度及时间为170℃×6h。
本实施例制得产品取样进行力学性能检测，抗拉强度大于320MPa，屈服强度大于287MPa，延伸率大于3％，硬度大于HB107。
本发明制得电驱动总成安装框架实物如图1-2所示，实施例1-5中各产品力学性能检测结果如表1所示。
表1产品力学性能检测结果
从上表1可得，低压铸造铝合金电驱动总成安装框架铸件经过热处理之后，获得较高的综合力学性能，优于现有技术的铝合金汽车铸件，而且铸件外观质量较好，如图3～6所示，X光测铸件内部无缩松夹杂等缺陷，证明内部组织良好，符合铝合金集成式电驱动总成安装框架铸件要求。
