原標題：低壓鑄造在新能源燃料電池箱體生產(chǎn)中的應用

摘要:針對新能源燃料電池箱體薄壁鑄件，設(shè)計了鑄件的低壓鑄造工藝，研究了模具預熱溫度對鑄件的微觀組織和力學性能的影響。結(jié)果表明：所設(shè)計的鑄造工藝方案合理，鑄造工藝模擬仿真分析和實際鑄件均未發(fā)現(xiàn)澆不足、縮孔縮松等缺陷，可以滿足新能源燃料電池箱體的批量生產(chǎn)需求。在鑄造工藝不改變的情況下，通過調(diào)整模型的預熱溫度，不僅可以改變材料的組織性能，還對液態(tài)金屬成形性能有影響。

由于能源危機和環(huán)境治理的迫切需求，我國做出碳達峰碳中和的重大戰(zhàn)略決策。綠色環(huán)保的新能源在為各行業(yè)奠基的同時，也提升了工業(yè)競爭力，實現(xiàn)了經(jīng)濟社會高質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展。燃料電池作為目前應用廣泛的一種新能源，是將化學反應能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谛履茉雌囈?guī)模化和產(chǎn)業(yè)化方面做出不可磨滅的貢獻。燃料電池箱體作為燃料電池的主體受力部件，對其綜合力學性能提出更高要求。

本研究基于燃料電池箱體鑄件，采用低壓鑄造方式進行澆注成形。將鑄型安置于密封坩堝上方，通過壓縮空氣在熔融金屬的表面上施加壓力，從而迫使金屬液由升液管上升填充鑄型。采用低壓鑄造制備的鑄件組織致密，金屬收得率高。壓力作用下的液態(tài)金屬充型凝固后缺陷少，使其在生產(chǎn)大型薄壁復雜鑄件方面擁有極大優(yōu)勢。在鋁合金薄壁殼體生產(chǎn)中，縮松、縮孔缺陷更容易形成，導致鑄件的質(zhì)量得不到保證，材料的力學性能差，不能滿足結(jié)構(gòu)件的要求，因此目前針對這類鑄件低壓鑄造工藝應用較多。但不同鑄件結(jié)構(gòu)的差別，鑄造工藝也存在較大的不同。本文主要研究低壓鑄造方式下金屬型不同預熱溫度對燃料電池箱體鑄件的影響，通過明晰新能源燃料電池箱體鑄件的低壓鑄造最優(yōu)工藝，為類似鑄件的生產(chǎn)提供參考。

1、鑄造前處理過程

1.1 鑄件材料準備及鑄型預處理

鑄件材質(zhì)為A356鋁合金，其化學成分如表1所示。原料為工業(yè)純鋁、Al-20Si中間合金和Al-10Mg中間合金，利用電阻爐將工業(yè)純鋁和Al-20Si中間合金加熱至720 ℃熔化，加入Al-10Mg中間合金攪拌，然后分別加入變質(zhì)劑和精煉劑進行變質(zhì)處理和除氣，完成A356合金的熔煉以備澆注。金屬鑄型采用球墨鑄鐵QT500-7材料，鑄型表面噴涂料，烘干后分別預熱至280 ℃、315 ℃、350 ℃。

表1 鑄件（A356合金）的化學成分 wB/%

1.2、澆注系統(tǒng)與工藝參數(shù)設(shè)計

1.2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

整體澆注系統(tǒng)設(shè)計示意圖如圖1所示，分型面設(shè)置在鑄件最大截面處，在底平面設(shè)置4個升液管，在鑄件頂部設(shè)置8個暗冒口。本工藝的設(shè)計理念為平穩(wěn)快速充型、順序梯度凝固。通過升液管設(shè)計，快速充型的同時仍能保證液面平穩(wěn)上升。再輔助以冒口設(shè)計，起到溢流集渣、排氣和改善凝固溫度場的作用。

圖1 澆注系統(tǒng)示意圖

整體模具框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，采用主體水平分型加四個方向抽芯的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其特點在于高效便捷，易實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

圖2 整體模具框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 低壓鑄造工藝參數(shù)設(shè)計

采用某型低壓鑄造機；模板尺寸：2 500 mm×1 800 mm×1 600 mm；開模力：17 t；頂出力：30~35 t；坩堝容量：800 kg；模具結(jié)構(gòu)：四面抽芯、上抽芯頂出；升液管數(shù)量：4個。鋁液溫度：705~720 ℃；保溫爐氣氛溫度：740 ℃。低壓鑄造設(shè)備及分段充型加壓曲線如圖3所示，燃料電池箱體鑄件模具如圖4所示。

圖3 低壓鑄造設(shè)備及充型分段加壓曲線

圖4 燃料電池箱體鑄件模具

2、鑄件組織與性能檢測

鑄件進行銑削加工去除表面余量。對試驗鑄件表面進行取樣，經(jīng)研磨拋光后制成金相試樣，利用金相顯微鏡對氣孔缺陷和組織結(jié)構(gòu)進行分析觀察；進行常規(guī)力學性能測試，拉伸試樣尺寸如圖5所示，斷口觀察使用掃描電子顯微鏡。

圖5 拉伸試樣

3、試驗結(jié)果及分析

3.1 鑄型預熱溫度

不同模具預熱溫度下鑄件的微觀組織如圖6所示。結(jié)果顯示隨著溫度的增加，A356合金α-Al的枝晶間距變大，但沒有發(fā)現(xiàn)Si相形態(tài)的明顯改變，共晶Si相仍呈顆粒狀分布在白色樹枝狀α-Al固溶體周圍。一般情況下，初生α-Al越細小，變形過程中相界及晶界處位錯塞積的數(shù)目越多，鑄件的強度越高。同時，細小的組織不僅提升其屈服強度，也使A356合金的塑韌性得以保證。因此，從微觀組織的角度來看，預測模具預熱溫度為280 ℃時，鑄件的綜合性能最佳。

圖6 不同模具預熱溫度下鑄件的微觀組織

圖7為不同鑄型預熱溫度下隨鑄試樣T6熱處理后的性能對比。結(jié)果顯示隨著預熱溫度的提升，A356鋁合金的綜合力學性能逐漸下降。斷裂強度從280 ℃預熱時的341 MPa，下降到350 ℃預熱的329 MPa；屈服強度則從311 MPa下降到301 MPa；伸長率則由14.1%下降到8.5%。同時，拉伸斷口分析也證明280 ℃預熱下的斷口韌窩細小密集，而315 ℃預熱時韌窩尺寸增加，到350 ℃時則在斷口上發(fā)現(xiàn)部分解理面，表現(xiàn)為準解理斷裂特征。力學性能的結(jié)果與微觀組織表現(xiàn)出一致性。

圖7 不同鑄型預熱溫度下A356合金拉伸性能對比結(jié)果及斷口分析

3.2 鑄件試制

根據(jù)上述分析結(jié)果，鑄件試制時選用的鑄型預熱溫度為280 ℃。但在實際鑄件的薄壁位置發(fā)現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷，如圖8所示。此時，鋁合金液尚未填滿型腔，且液流前沿即使匯流也無法焊合在一起。究其原因，是由于該位置的型腔較薄（約2.5 mm），這導致在鑄型預熱溫度為280 ℃時，鋁合金液在充型過程中的溫度下降較明顯。當液流前沿到達該位置時，失去足夠的流動性。所以就在燃料電池箱體的薄壁位置留下大量冶金缺陷。

圖8 鑄件上的缺陷

為了解決該問題，綜合考慮了鑄件力學性能和成形能力。將金屬型模具的預熱溫度提高到315 ℃，并基于數(shù)值模擬技術(shù)對鑄件進行分析。如圖9a所示，鑄件的充型過程平穩(wěn)，無飛濺夾渣等行為。在圖9b中，給出了凝固階段符合順序凝固原則，自下而上，最后凝固區(qū)域位于冒口內(nèi)部，鑄件整體補縮良好。對鑄件的縮孔縮松缺陷進行預測，如圖10所示。結(jié)果顯示燃料電池箱體鑄件的縮松/縮孔缺陷集中于冒口和澆道位置，因此可通過后期機加工去除。

圖9 鑄件數(shù)值模擬結(jié)果

圖10 鑄件缺陷預測

最終得到的合格鑄件如圖11a所示，鑄件毛坯表面質(zhì)量較為光滑，粗造度為Ra12.5，滿足圖紙粗造度Ra25.4要求，尺寸形狀與金屬鑄型一致，鑄件表面未發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷。鑄件金相組織如圖11b所示，可以看出凝固后鑄件組織致密，無氣孔缺陷。

圖11 鑄件表觀質(zhì)量和內(nèi)部組織

4、結(jié)束語

（1）設(shè)計了新能源燃料電池箱體的低壓鑄造工藝，并采用數(shù)值模擬分析和生產(chǎn)實際驗證了其可行性，所獲得的鑄件表面光滑，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在縮孔縮松和氣孔缺陷，符合新能源燃料電池箱體批量生產(chǎn)的要求。
（2）燃料電池箱體的鑄造工藝設(shè)計需綜合考慮鑄件力學性能和液態(tài)金屬的成形能力，在保證最小壁厚結(jié)構(gòu)完整鑄出的同時，通過降低模具預熱溫度來提高鑄件性能。本試制鑄件的最佳金屬型模具預熱溫度為315 ℃。

作者：
史開旺
無錫蠡湖增壓技術(shù)股份有限公司
文章來自：鑄造雜志