关键词：镁合金  方向盘骨架  裂纹

本文针对镁合金方向盘骨架过程中出现的压铸裂纹缺陷，根据形成机理，以本公司开发的方向盘骨架产品为例分析原因并提出解抉措施。

摘要

镁是最轻的工程结构金属材料，具有比强度和比弹性模量高、阻尼吸震降噪性能优越、铸造成型和机加工性能良好等优点，被誉为21世纪的绿色金属结构材料。近年来，日趋紧张的能源供需关系和环保对汽车尾气排放的限制，轻量化成为汽车设计制造的必然趋势，镁合金在汽车上的应用将会越来越广泛。镁合金万向盘不但降低了驾驶员的疲劳程度。而且使驾驶员在车辆碰撞过程中的人身安全更有保障。在国外早己实现镁 合金方向盘的研发生产，而国内的高档汽车则靠进口。最近，汽车行业要求所有带安全气囊的方向盘均使用镁合金骨架，因此在国内开展镁合金方向盘的研制生产具有巨大的技术价值和广阔的商业应用前景。

压力铸造(简称压铸)的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔，并在压力下凝固成型而获得铸件的方法，是目前应用最广的镁合金成型方法。

裂纹缺陷因影响产品安全性能，不论哪一类压铸产品都不允许存在。镁合金方向盘骨架裂纹缺陷经常出现在圆环凹槽底部、辐条与圆环相接的部位、内浇口附近及过渡部位的尖角部位，其中尤以环槽底部和过渡部位尖角部位出现频率较高。

1、裂纹的形成机理

裂纹按在凝固过程中出现的时间不同分为热裂纹和冷裂纹。裂纹的裂口通过晶界，外观形状曲折而不规则，断口表面呈氧化色;冷裂纹的外形呈连续直线状或圆滑曲线，常常穿过晶粒断裂，断口有金属光泽或轻微氧化现象。

关于裂纹形成机理现在主要有三种理论:强度理论、液膜理论及形核功成理论。

1)强度理论：合金在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈脆性断裂，这个脆性温度区间称为"脆性温度区间"，简称"脆性区"。强度理论确认热裂就是在脆性区形成，脆性区越大，金属处于低塑性区的时间越长，热裂越易形成，并且铸件热裂有可能在凝固后进一步扩展。

2）液膜理论：铸件凝固到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成一层膜，温度越接近固相线，膜层厚度越薄，直到铸件全部凝固时液膜消失。合金中若含有较多的低熔点化合物会使实际固相线下移，扩大凝固温度范围，液膜存在时间延长并增大凝固期间的收缩量。结晶末期，铸件收缩受到阻碍时，晶体和晶间液膜内将产生应力，晶体和晶间液膜被拉伸，当应力足够大时液膜开裂而形成晶间裂缝。晶间裂缝与液膜表面张力和膜层厚度有关，把液膜拉断之力与表面张力成正比，与膜层厚度成反比。因此，铸件在细晶状态下液膜数量和厚度降低，从而增加了铸件的抗裂性;

3）形核功理论：这一理论认为。热裂的产生要经过形核和发展两个阶段。根据分析，裂纹的形核容易发生在固相晶粒相交的液相汇集部位， 结晶过程中溶质再分配而引起晶界偏析导致液相汇集部位的(双边)润湿角发生变化。分析认为，晶粒之间存在液体时，裂纹形核功明显下降。

总之，热裂是在形成晶体骨架，线收缩开始的温度与凝固结束的温度这一范围内形成，并有可能在凝固后扩展。

冷裂纹是铸件处于弹性状态时铸造拉应力超过合金的强度极限而产生的，冷裂一般出现在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方。

2、裂纹形成的原因

针对镁合全方向盘骨架产生裂纹的部位不同，经分析主要有以下几方面因素对裂纹形成 较大影响，即：铸造合金性质、压铸模具、铸件结构和压铸工艺四个方面的因素。

2.1铸造合金的影响

本公司生产方向盘骨架采用AM50A材料，铝含量5%左右，锰含量1%左右。其中铝含量对热裂的形成影响显著。AM50A铸态组织由α-固溶体和分布于晶界的非连续网状的β-All2Mg17相。随着铝含量的降低，晶界上的β-Al12Mg17相含量减少，合金强度降低而韧性和塑性增加。而Mn主要与铁形成Mn-Fe化合物从镁液中沉淀出去。从而减少了铁对合金塑性的影响;其次，在压铸快速冷却过程中，含铝量6%时对应的实际结晶温度间隔最大，对铝含量小于6%的AM50A材料，合金的实际结晶温度间隔随铝含量的降低而减小，因而利于降低铸件的热裂倾向，最后，锰对细化晶粒有利，有助于提高铸件的强度和塑性，减小热裂倾向，但锰含量不宜过高，否则会引起锰偏析（MnAl)降低合金塑性，需控制一定的锰铁比。一般20左右的锰铁比较佳。因此，AM50A合金中Al含量较高时铸件容易产生裂纹，锰因具有减弱铁对合金的有害作用和过高含量的锰易偏析，因而对裂纹的形成具有两面性。适量的锰有助于细化晶粒，减小热裂倾向。

2.2压铸模的影响

因钢质压铸模不具备退让性，因此从这方面考虑减小压铸件的裂纹形成倾向是不现实的，但压铸模具的浇注系统和排溢系统对裂纹的影响起着关键性作用。

当合金液不能在浇注系统中平稳加速时，合金液的能量损失较多，充型时呈紊流状态，不利于型腔内气体的排出，铸件易因含非金属夹杂而强度降低，从而形成裂纹;而排溢系统除了排出型腔内气体外，还起平衡模温作用，避免铸件因各部位冷却不均匀产生热应力而形成裂纹。

以本公司开发的B14方向盘骨架为例，辐条与圆环相接部位模温较高，在“c”处因渣包使该区域温度均匀，并平衡了该部位圆周方向和辐条方向的收缩应力，因而该处产生裂纹的几率远比没有渣包平衡模温的“a”“b”区域低得多(见图1)。

2.3铸件结构的影响

铸件结构设计是否合理对铸件能否形成热裂有直接影响，铸件壁厚不均时较厚部位最后凝固，收缩应力易集中于此处而出现裂纹。铸件设计应尽量避免十字筋及过于厚大的壁厚以免形成热节;过渡部位设计铸造圆角以避免应力集中形成裂纹，但过大的圆角则形成热节。铸件冷却缓慢而晶粒粗大，强度和塑性降低难以抵抗收缩应力而形成裂纹。

同样以B14方向盘骨架为例，在圆环上有6个厚大的方块(15x10)。而邻接部位基本壁厚为4mm,是严重的璧厚不均，凹部过渡处为倾角或半径小于R0.5的圆角，易在该部位形成较大的热应力且应力集中于凹槽底部;另外，在辐条对应的圆环凹槽内各有一加强筋(厚度2mm)，这与辐条与中心相接部位的凹槽同属于在热节部位模温较高的部位出现严重的壁厚不均现象(见图2)。

经分析认为，在以上部位铸件壁厚不均导致铸件冷却过程中出现较大的热应力，热应力在非均壁厚的过度部位应力集中而出现裂纹。

一般情况下。镁合金铸件相连接两壁的壁厚均匀时铸件凹部圆角半径按壁厚的0.5-1倍设计。对应的凸部圆角半径按凹部圆角加上壁厚尺寸即可;对非等壁厚的铸件，凹部圆角半径应不小于相连接两壁厚之和的三分之一，对应凸部圆角半径按凹部圆角加上相连接两壁厚之和的二分之一即可。对十字筋相接部位的铸造圆角应以减小热节为主，一般视筋的厚度按R0.5-2即可满足压铸工艺要求。

2.4压铸工艺的影响

压铸工艺对热裂形成的影响主要体现为模具温度、镁液温度、比压、留模时间几个方面:

每一个压铸循环中铸件向模具传递的热量和模具因吸热而升高的温度是确定的，因此当初始模具温度较高时，在压铸循环中模具温度也更高。铸件因缓慢冷却而减小壁厚不均造成的收缩热应力。另一方面，较高模温使铸件冷却速度降低，铸件晶粒粗大，强度、塑性下降导致热裂形成。因此。压铸模具温度对铸件形成热裂的影响是综合的。 模具温度需控制在一定的范围内。实践证明。较高的模温有利于减小铸件热应力对裂纹形成的影响，B14方向盘骨架在模温升高趋于平衡时，方块根部出现裂纹的几率大幅度减小;当镁液温度较高时，增加了铸件凝固时的收缩量，同时，液体金属因具有更大的过热度而使模具升温更高，降低了铸件与模具的温度梯度，铸件冷却速度降低，晶粒粗大导致强度和塑性较差，因此铸件容易形成裂纹。镁合金万向盘骨架压铸时的合金液温度控制在660-700℃，并使其与模具温度匹配。

比压对形成裂纹的影响是综合的，一方面高比压使铸件的组织更致密，铸件强度高而具有更好的抗裂能力;然而在实践中发现比压超过一定值时铸件裂纹倾向增大。具体原因尚未清楚，据推测存在两种可能:1、因为过高比压导致晶界液相的残留应力增大，铸件凝固过程中晶体骨架的收缩受到残留液相阻碍，残留应力越大，晶体骨架受到的拉应力越大。应力超过铸件在该温度的强度时产生裂纹;2、比压过大，晶粒受压力变形使液相对晶粒表面的湿润双边角减小导致裂纹形成功降低，在晶界处更易形成裂纹。当增压速度过大，处于半凝固状态的合金不能及时将能量传递到流体前沿而在流路靠近内浇口的地方形成高压区。因此比压过高是内浇口附近区域形成裂纹的主要原因之一。

铸件的留模时间对铸件裂纹的形成也是双面的，留模时间太长，铸件因收缩受阻而易形成冷裂，时间太短，铸件尚不具备强度就取出则易形成热裂。留模时间通常按铸件壁厚3s/mm设定。

3、裂纹防止措施

针对以上各类原因，下面以B14方向盘骨架为例，提出防止镁合金方向盘骨架压铸裂纹的措施:

在B14方向盘骨架的试模生产中，在圆环凹槽底部及辐条与圆环相接部位加强筋的根部出现到纹，分析认为这主要因为环槽底部厚度为8mmn，而侧壁厚度为4mm，该部位裂纹主要因收缩受阻应力引起，而筋的根部还有应力集中因素的影响，采用铝含量较低的南京AM50A后，增加了原材料的抗裂能力，裂纹缺陷得到解决;在模温不均匀部位和收缩不平衡时采用渣包可以达到平衡模温与收缩以及提高排气效果，利于防止裂纹缺陷的产生;

铸件结构设计时过渡部位以钝角过渡，在连接部位做出Rl-R2圆角，消除应力集中的同时使流路更通畅，利于防止裂纹的产生;

镁合金方向盘骨架批量生产证明，模具工作温度控制在200-250℃。镁液温度控制在660-700℃能稳定获得符合要求的压铸产品，镁液温度偏上限时模具温度则需偏下限，反之亦然;镁合金方同盘骨架比压通常在70-120MPa之间即可满足要求，比压过低，铸件致密度差，铸件易因疏松而产生裂纹，比压过高则易导致铸件残留应力过大，结晶过程中晶体骨架收缩受阻而产生裂纹;同时，对浇注系统阻力损失系数小时采用较高的比压和较低的增压速度进行匹配，反之则采用低压高速进行匹配;

镁合金方向盘骨架基本壁厚为4mmn,实践证明在批量稳定生产过程中留模时间控制在8-12秒时铸件裂纹缺陷出现几率极小。

4、结论

经过本公司多款镁合金方向盘骨架的开发和生产证明，对产品结构己定的向方盘骨架而言，通过调整原材料的化学成分、优化模具的浇注系统和排溢系统并使铸件过渡部位保持一定大小的铸造圆角以及优化镁液温度和模具温度的匹配，压铸裂纹缺陷能够得到有效防止。

5、后记

  改变裂纹缺陷的某一影响因素可能会导致另外某种缺陷的出现，因产品结构决定充型流程长，利用内浇口补缩效果有限，在镁合金方向盘骨架中通常在圆环截面厚大部分的中心形成缩孔或轴线疏松。因裂纹缺陷可能会在产品使用过程中延伸，从安全考虑，产品不允许出现裂纹，而缩孔、疏松只是对铸件截面的缩减，满足强度要求的前提下不会危及产品安全性能，因此本文提倡杜绝产品裂纹的前提下尽量减少气孔、缩孔的出现。

不同的压铸缺陷的影响因素相互交叉，难以通过调整某一参数才解决所有的缺陷，因此，压铸工艺人员的主要职责便是通过实践寻找一个较宽的工艺范围以求以最经济的方式获得稳定质量的产品。

镁合金裂纹形成的机理原因分析可能还不完善，随着镁合金压铸业的蓬勃发展，希望在广大压铸工作者的共同努力下。早日形成一套能指导压生产的理论。