A356.2低壓鑄造鋁合金車輪中Si偏析對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

王 貴，薛喜偉

（中信戴卡股份有限公司， 秦皇島 066011）

A356.2低壓鑄造鋁合金車輪中Si偏析對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

王 貴，薛喜偉

（中信戴卡股份有限公司， 秦皇島 066011）

A356.2低壓鑄造鋁合金車輪通常會存在化學(xué)成分偏析的情況，通過對缺陷樣件化學(xué)成分、金相組織等研究分析，發(fā)現(xiàn)存在偏析問題的樣件化學(xué)成分、晶粒尺寸、產(chǎn)品外觀樣貌均存在異常。鑄造鋁合金車輪的成分偏析主要就是Si元素偏析，所以在鋁合金車輪低壓鑄造過程中，合理的低壓鑄造工藝設(shè)計是解決其化學(xué)成分偏析、提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量的最有效途徑之一。

A356.2低壓鑄造鋁合金；鋁合金車輪；Si成分偏析

0 前言

國內(nèi)目前生產(chǎn)鋁合金車輪廠近200家，年產(chǎn)能達到1.8億只/年，每年還仍有老企業(yè)擴建和新企業(yè)建成。從產(chǎn)量上來看，中國大陸儼然成為世界鋁合金車輪生產(chǎn)集中地。鋁合金輪轂主要有六種生產(chǎn)工藝，分別是低壓鑄造、重力鑄造、差壓鑄造、高壓鑄造等，而低壓鑄造是當前中國大陸鋁合金車輪制造企業(yè)的主打工藝，90%的企業(yè)采用該生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品主要銷往OEM和海外零售市場。低壓鑄造工藝的普遍使用主要基于其生產(chǎn)設(shè)備造價適中、生產(chǎn)效率高、材料利用率高。鋁合金車輪主要成分為Al-Si合金系，一般Si含量為4%～22%。Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能，經(jīng)過變質(zhì)處理和熱處理之后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等可加工切削性能，是鑄造鋁合金中品種最多，用途最廣的合金系[1]。

低壓鑄造工藝的優(yōu)點，主要由于合金液是在可控的氣壓下自下而上的充型，能有效地控制上升速度，保證其充型平穩(wěn)，因此，避免了合金液充型過程中的翻騰、沖擊、飛濺現(xiàn)象，從而減少甚至消除鑄件中的氧化夾渣、氣孔、等鑄造缺陷的產(chǎn)生。另外，因為合金液是在壓力下結(jié)晶和凝固，這不僅提高了鑄件組織的致密性及力學(xué)性能，并可大大減小甚至完全消除冒口，從而大幅提高金屬液的利用率[2]。當前我們公司生產(chǎn)低壓鑄造鋁合金車輪在材料檢查過程中極易出現(xiàn)Si偏析現(xiàn)象，嚴重的情況下會影響到鋁合金輪轂的使用性能。在國際汽車輪轂業(yè)競爭日益激勵的今天，客戶對汽車鋁合金輪轂的技術(shù)水平和安全性能的要求不斷前提，降低鋁合金輪轂Si偏析現(xiàn)象滿足客戶需求已經(jīng)刻不容緩[3]。

1 問題的提出

車輪在客戶材料檢測過程中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品輪輻外觀質(zhì)量有缺陷，被客戶判定不合格拒絕接收，需要整改（見圖1橢圓虛線內(nèi)外觀）。

圖1 A356.2低壓鑄造鋁合金車輪輪輻外觀不合格

2 檢測分析

將輪輻外觀不合格部位剖開進行宏觀觀察、成分檢測、力學(xué)性能檢測，放大100倍和200倍觀察其金相組織。

2.1 宏觀觀察結(jié)果

將輪輻外觀不合格部位剖開進行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)其斷口上未見異常，無明顯縮松等鑄造缺陷。

2.2 成分和力學(xué)性能檢測

輪輻合金的化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1和表2。從表1中可知，該部位Si含量偏低，說明該部位存在Si成分偏析現(xiàn)象。因為化學(xué)成分檢測結(jié)果只是體現(xiàn)數(shù)據(jù)上的問題反映，還需要金相等其它檢測方式來驗證偏析情況，以確定外觀缺陷部位是否存在Si偏析現(xiàn)象。

表1 A356.2鑄造鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)／%）

表2 外輪緣的力學(xué)性能

由2表可見，產(chǎn)品經(jīng)T6熱處理后輪輻力學(xué)性能合格。

2.4 輪輻的金相組織

輪輻的金相組織觀察結(jié)果示于圖3。

圖3 輪輻的金相組織

從圖3金相圖片分析發(fā)現(xiàn)，外觀缺陷部位存在因Si聚集而產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象，而根據(jù)我們的經(jīng)驗，Si聚集產(chǎn)生的偏析的原因與該位置對鑄造模具施加的冷卻強度弱、鑄件冷卻速率相對緩慢有關(guān)。造成Si聚集產(chǎn)生偏析，解決該問題最直接有效的辦法是對偏析點增加冷卻強度。我們鑄造工藝技術(shù)團隊也是不斷通過日常的技術(shù)改進與實踐來驗證這一觀點。

3 技術(shù)改進與實踐

起初我們鑄造技術(shù)團隊對產(chǎn)品外觀出現(xiàn)該缺陷認為是產(chǎn)品表面的機械油污或者其它類的表面缺陷，通過一系列材料實驗分析，我們推翻了該結(jié)論，認為對鑄件的冷卻載體－鑄造模具進行修改并優(yōu)化鑄造工藝，便可取得良好的成效和結(jié)果。

3.1 鑄造模具局部冷卻設(shè)計

鑄造模具是車輪鑄件毛坯的冷卻載體，根據(jù)外觀缺陷樣件的位置，我們對鑄造模具對應(yīng)位置重新設(shè)計修改，修改前與后的設(shè)計圖對比見圖4。

圖4 鑄造模風孔設(shè)計

由圖4（a）和（b）對比可以看出，鑄造模具修改之后在產(chǎn)品外觀易出缺陷部位進行了兩處更改，一是設(shè)計了局部強冷材料結(jié)構(gòu)，二是在強冷材料處增加了冷卻風孔。在模具冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻方式修改前提下，鑄造工藝也做了調(diào)整，希望在提高冷卻速率的前提下，最大限度改善材料組織Si偏析聚集嚴重情況。

3.2 鑄造模具溫度檢測

使用遠紅外熱成像儀拍攝鑄造模具在線溫度，通過檢測數(shù)據(jù)可以看出，修改之后鑄造模的冷卻強度增大，本次測試產(chǎn)品外觀易出現(xiàn)缺陷部位的溫度較修改前下降了近30℃以上。圖5所示即為改進前后模具溫度對比。

圖5 模具在線溫度

3.3 改進后缺陷部位化學(xué)成分分析

取改進后的樣件進行化學(xué)成分分析，我們發(fā)現(xiàn)：改進后缺陷部位材料金相組織Si的成分為6.85%（見表2），成分處于比較理想狀態(tài)，符合標準合格范圍要求。

表3 改進后的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

3.4 改進后缺陷部位金相組織分析

如圖6所示，改進后的顯微組織化學(xué)成分偏析較圖3有明顯改善：初生α-Al形態(tài)發(fā)生根本性變化，板條狀的枝晶狀態(tài)已經(jīng)看不到了，呈現(xiàn)出來的形狀基本為相似的粒狀初生α-Al，晶粒組織均勻，細化狀態(tài)明顯，Si相圓整度高。

圖6 輪輻放大200倍金相圖片

4 分析討論

對輪輻外觀不合格部位取樣分析，經(jīng)放大100倍與200倍產(chǎn)品熱處理后的組織為低于B級的非正常變質(zhì)，共晶硅邊角不夠圓滑，呈聚集狀、長桿狀分布，個別有大晶塊初結(jié)晶，金相組織不合格。低壓鑄造生產(chǎn)鋁合金車輪過程中，由于冷卻速率較慢，Si偏析嚴重，分布也不均勻，尤其是當Si含量較高時，初生Si非常粗大，呈板條狀或多角狀等不規(guī)則形狀，共晶Si呈現(xiàn)長針狀，這些形態(tài)的Si將嚴重割裂基體的連續(xù)性，很容易在Si相的尖端和棱角處引起應(yīng)力集中，易發(fā)生斷裂，惡化合金性能[4]。消除低壓鑄造鋁合金車輪宏觀化學(xué)成分偏析的措施無非從以下幾點考慮：（1）保證合金成分，將凝固過程中合金液體的密度差別減到最小。因為合金液的密度差是促進合金流動的因素之一；（2）適當提高鑄件的高度。因為液體靜壓頭愈大，流動會愈加劇烈；（3）加入孕育劑細化枝晶組織，使流動阻力增加，從而減小流動速度；（4）在凝固開始階段，用加速液體對流的辦法，可以細化晶粒，但在凝固過程中，應(yīng)該使液體的對流停止；（5）加大冷卻速度，縮短固－液兩相區(qū)的凝固時間。澆鑄溫度太高，澆鑄速度太快，均會延緩鑄件冷卻，從而使宏觀偏析加劇[5]。

5 結(jié)論

（1）輪輻外觀的不合格是由于材料本身Si化學(xué)成分偏析造成，產(chǎn)品正面精車后，材料偏析形成的特殊紋理裸露在產(chǎn)品表面，影響車輪本身的美觀性。

（2）減少或者消除鋁合金車輪成分偏析最有效的途徑是哪里偏析就在哪里施加冷卻。

（3）針對鑄造模具進行改良：在易產(chǎn)生偏析部位適當增加特殊冷卻材料，并在強冷材料處增加冷卻風孔，有效地解決了Si偏析問題。

[1]田榮璋.鑄造鋁合金[M].長沙，中南大學(xué)出版社2006：58-59

[2] 熊星之.大型鋁合金缸蓋高質(zhì)量無冒口低壓鑄造技術(shù)[J].特種鑄造及有色合金，2012(12)：330-331

[3]王貴，周鵬，陳學(xué)武.低壓鑄造鋁合金輪轂Si偏析的研究[J]．鑄造工程，2010，34(4)：24-26

[4]袁崇勝，楊剛，等.降低Al-Si-Mg鑄造鋁合金Si偏析的措施[J].有色金屬（冶煉部分），2006（2）：46-47

[5]胡漢起.金屬凝固原理[M].北京，機械工業(yè)出版社，2012：220-221

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Effect of Chemical Composition Segregation on Product Quality of Low Pressure Casting A356.2Aluminum Alloy Wheel

WANG Gui，XUE Xi-wei，
(Citi Dicastal Co.Ltd，Qinhuangdao 066011，China)

There is segregation of chemical composition in low pressure casting A356.2 aluminum alloy wheel.Through the analysis of chemical composition and microstructure research for the defect sample，it was found that chemical composition，grain size and appearance of the product appearance of segregated sample were abnormal.The composition segregation of aluminum alloy wheel casting is mainly Si element segregation，so during low pressure die casting of aluminum alloy wheel，reasonable design of the lowpressure casting process are the most effective ways to solve the chemical composition segregation and to improve the appearance.

low pressure casting A356.2 aluminum alloy;aluminum alloy wheel;Si composition segregation

TG292

A

1005-4898(2017)02-0020-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.04

王貴（1975-），男，遼寧大連人，工程師，主要研究方向為鋁合金車輪鑄造工藝。

2016－10－30