鋁合金輪轂低壓鑄造的熱處理工藝及其性能分析

李 莎

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)的重要材料，兼具質(zhì)量輕、成形性好等多重特點(diǎn)，應(yīng)用于汽車工業(yè)中可以達(dá)到降低車輛自重、優(yōu)化操作性等效果[1-3]。鋁合金輪轂則明顯提升了行車舒適性，同時(shí)也與美觀、省油的需求相符合，成為轎車的主要應(yīng)用形式。縱觀我國(guó)鋁合金輪轂發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)階段已經(jīng)頗具規(guī)模，生產(chǎn)數(shù)量幾乎與頂尖國(guó)家齊平，但存在技術(shù)水平低下的問(wèn)題[4-5]。當(dāng)前，低壓鑄造是最為主要的生產(chǎn)方式，通過(guò)此技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金輪轂站總量的40%，而為了確保低壓鑄造質(zhì)量，對(duì)其展開(kāi)工藝探討極具必要性。

1 A356.2鋁合金輪轂熱處理

1.1 固溶處理

輪轂逐漸溫度持續(xù)提升，最終達(dá)到固溶線以上的單相區(qū)域，在此環(huán)境下各溶質(zhì)均發(fā)生變化，融入至α基體中，得到了單一固溶相。此過(guò)程中溫度控制尤為關(guān)鍵，不可大于共晶溫度，在不超出固溶溫度上限的前提之下，通過(guò)持續(xù)提升溫度的方式，原子擴(kuò)散速度加快，溶質(zhì)融入α的總量越多，過(guò)飽和析出也更為明顯。針對(duì)A1-Si-Mg實(shí)行T6處理后，可將粗大Mg2Si有效溶解，在達(dá)到逐漸均質(zhì)化的同時(shí)還能夠改變共晶Si形態(tài)。通過(guò)合金固溶的方式，將改變共晶Si形貌，并影響到最終的強(qiáng)化效果[6]。固溶溫度需適當(dāng)提升，應(yīng)盡可能靠近共晶溫度但不可超過(guò)該值，否則會(huì)出現(xiàn)晶界溶解現(xiàn)象，隨之削弱力學(xué)性能?；诖耍P(guān)于固溶溫度的控制，以(538±5) ℃為宜。固溶時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，將此環(huán)節(jié)設(shè)定為5 h較為適宜。

1.2 淬 火

Al-Si-Mg鋁合金在經(jīng)過(guò)固溶處理后，將所得鑄件轉(zhuǎn)移至水中淬火，此舉主要考慮的是冷卻質(zhì)量，具體體現(xiàn)在Mg2Si平衡相的析出量這一層面。通過(guò)淬火的方式，Mg2Si會(huì)留在固溶體內(nèi)，使其在低溫環(huán)境下獲得Mg2Si固溶體?？紤]到Mg2Si析出量控制要求，應(yīng)盡可能提升冷卻速率，否則不利于強(qiáng)化作用，且基體過(guò)飽和度隨之下降，最終人工時(shí)效析出硬化效果欠佳?；诖耍诖慊疬^(guò)程中需注重如下兩點(diǎn)：①快速轉(zhuǎn)移，需要在最短的時(shí)間內(nèi)將鑄件從爐中轉(zhuǎn)移到水中，縮短在空氣中的暴露時(shí)間；②水溫低，盡可能提升冷卻速率，在此環(huán)境下使得Mg2Si能夠有效留在固溶體內(nèi)，確保鑄件強(qiáng)度。伴隨淬火條件的改變，A356.2合金的性能也將發(fā)生變化，影響機(jī)制為：淬火溫度增加時(shí)，鑄件在伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)上都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，換言之，若淬火速度較快，此時(shí)鑄件伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度均有所提升?？紤]到Mg2Si均勻分布的要求，當(dāng)鑄件出爐后，需盡快淬火，使其在30 s內(nèi)結(jié)束，要求水溫維持在60～80 ℃。

1.3 時(shí)效處理

基于對(duì)時(shí)效處理溫度的劃分，可以得到兩種方式，即自然時(shí)效與人工時(shí)效。具體處理機(jī)制為，伴隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，使得合金內(nèi)部組織出現(xiàn)明顯變化，力學(xué)性能也將發(fā)生改變。當(dāng)硬度或強(qiáng)度出現(xiàn)明顯提升現(xiàn)象后，便可稱為時(shí)效硬化。不同性能要求下，對(duì)應(yīng)的最佳處理溫度與時(shí)間不盡相同。

1.3.1 自然時(shí)效

伴隨自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的硬度與屈服強(qiáng)度有所下降，伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度提升，這一規(guī)律在Mg含量較高的合金中體現(xiàn)的更為明顯，且主要發(fā)生于前3 h。

1.3.2 人工時(shí)效

Si離子形態(tài)并不會(huì)對(duì)人工時(shí)效處理效果帶來(lái)影響，事實(shí)上，人工時(shí)效僅指的是將飽和固體從溶質(zhì)中析出的過(guò)程。從A1-Si-Mg合金來(lái)看，初始析出相指的是β-Mg2Si。析出性能受多方面因素影響，以溫度與時(shí)間尤為關(guān)鍵。伴隨時(shí)效溫度的提升，無(wú)論是在抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度上都出現(xiàn)不同程度的提升，但伸長(zhǎng)率隨之下降。大量研究均揭示了鋁合金析出特性，除了過(guò)渡相θ和β外，還伴隨Si質(zhì)點(diǎn)析出，若時(shí)間較長(zhǎng)，Si質(zhì)點(diǎn)更為明顯，在其作用下鋁合金的過(guò)時(shí)效更為顯著。基于多級(jí)人工時(shí)效的方式，將改變A356.2鋁合性能，使其在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及硬度三項(xiàng)指標(biāo)上都出現(xiàn)提升趨勢(shì)，同時(shí)伸長(zhǎng)率有所下降。具體而言，180 ℃×6 h時(shí)效下，強(qiáng)度最佳；若要獲得最佳伸長(zhǎng)率，其基本前提是140 ℃×4 h時(shí)效。基于此，實(shí)際處理中較為適宜的時(shí)效溫度為(138±5) ℃。

2 試驗(yàn)過(guò)程

鋁合金輪轂低壓鑄造過(guò)程中，T4熱處理會(huì)對(duì)最終的處理效果帶來(lái)直接影響。對(duì)此，選擇美國(guó)通用產(chǎn)品展開(kāi)試驗(yàn)。共采取如下幾種方式：T6(538 ℃×5 h固溶+145 ℃×3 h時(shí)效)熱處理、T4(538 ℃×5 h固溶+24 h自然時(shí)效)熱處理、T4(538 ℃×5 h固溶+48 h自然時(shí)效)熱處理。對(duì)輪輻、輪緣與輪心三個(gè)區(qū)域展開(kāi)力學(xué)性能測(cè)試；此后，對(duì)輪轂采取噴涂措施，再次從上述三個(gè)部分取樣，展開(kāi)力學(xué)性能檢測(cè)，對(duì)所得結(jié)果加以分析。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

整理后，得到各處理方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)比較分析及結(jié)論

(1)相較于T6熱處理而言，通過(guò)T4熱處理的方式屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與硬度都表現(xiàn)出不同的下降趨勢(shì)，伸長(zhǎng)率提升70%～100%。相較于48 h自然時(shí)效，通過(guò)24 h自然時(shí)效的方式處理后，在屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度上與之大體相同，但硬度更高、伸長(zhǎng)率相對(duì)較低。

(2)試驗(yàn)中，經(jīng)T4熱處理輔以24 h自然時(shí)效的方式，在此基礎(chǔ)上噴涂，能夠顯著提升力學(xué)性能，但這一過(guò)程中對(duì)自然時(shí)效提出較高要求，需精確控制時(shí)間，以免在后續(xù)機(jī)械加工中出現(xiàn)硬度過(guò)低的現(xiàn)象。

5 鋁錠內(nèi)部品質(zhì)及熔煉工藝

從A356.2鋁錠內(nèi)部形態(tài)來(lái)看，遺傳效應(yīng)會(huì)直接影響鋁錠重熔效果，最終呈現(xiàn)出的鋁液質(zhì)量不盡相同。在鋁液重熔過(guò)程中，通過(guò)增設(shè)變質(zhì)劑的方式能夠優(yōu)化Si形貌并達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，但在重熔過(guò)程中難以對(duì)Fe元素含量造成影響。因此，經(jīng)鑄造后，F(xiàn)e元素將是材料力學(xué)性能的主導(dǎo)因素，其主要呈長(zhǎng)針狀與板條狀，具體如圖1所示。

圖1 Fe的形貌

漏氣將出現(xiàn)壓力損失現(xiàn)象，從數(shù)字組合控制閥的運(yùn)行性能來(lái)看，雖然該設(shè)備的反應(yīng)速度較快，但采用的是離散跳躍式增壓方式，因此不利于鋁液充型的穩(wěn)定性，且會(huì)對(duì)保壓結(jié)晶鋁液補(bǔ)縮造成影響，進(jìn)而表現(xiàn)出車輪縮松等問(wèn)題。比例閥的特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓，伴隨有輕微的滯后性，對(duì)保溫爐密封性能提出較高要求。在有效維護(hù)保溫爐的前提下，可提升比例閥的運(yùn)行性能，達(dá)到鋁液充型、保壓平穩(wěn)的效果，經(jīng)鑄造處理后的材料質(zhì)量更為良好。

保溫爐的密閉性尤為關(guān)鍵，是決定鑄造壓力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，同時(shí)也會(huì)對(duì)鋁液氧化程度帶來(lái)影響。若保溫爐缺乏優(yōu)良的密閉性，不利于保壓階段的穩(wěn)定性，需通過(guò)數(shù)字組合閥的方式以達(dá)到平衡壓力的效果，此舉將提升新進(jìn)空氣量，提供了更多氧氣，鋁液的氧化程度有所提升；此外，數(shù)字組合閥多次開(kāi)啟后，也會(huì)對(duì)鑄造壓力的穩(wěn)定性造成影響，使得車輪的力學(xué)性能發(fā)生變化。

5.1 模具結(jié)構(gòu)與鑄造工藝的匹配

以鑄造裝備完善、鋁液質(zhì)量穩(wěn)定為基本前提，在針對(duì)鋁合金低壓鑄造過(guò)程中，最為關(guān)鍵的便是熱量傳遞與分配，這是決定鑄造質(zhì)量的關(guān)鍵因素。鑄造過(guò)程中，模具是熱量的載體，而選擇合適的鑄造工藝則會(huì)提升模具熱量的分布均勻性，因此二者相綜合將直接對(duì)鑄件力學(xué)性能帶來(lái)影響。

鋁合金車輪低壓鑄造，其基本流程為車輪輪輞處自上而下、輪輻處由外向內(nèi)，隨之提升凝固質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上依靠中心澆口補(bǔ)縮?；诖?，模具需要形成溫度梯度，在模具自身蓄熱基礎(chǔ)上，加之鑄造工藝?yán)鋮s的方式，便可產(chǎn)生溫度梯度。但考慮到車輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在處理過(guò)程中鑄件熱節(jié)處的熱量散發(fā)效果欠佳，使得模具出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象，并產(chǎn)生缺陷。

此外，通過(guò)對(duì)熱節(jié)處的強(qiáng)冷處理，使得與熱節(jié)銜接區(qū)出現(xiàn)明顯的過(guò)冷現(xiàn)象，給通道造成阻礙，車輪缺陷較為明顯。對(duì)此，設(shè)計(jì)模具時(shí)需充分考慮多方面因素，達(dá)到熱容、熱阻與冷卻通道有效配合的效果，使得車輪能夠在短時(shí)間內(nèi)完全凝固。

5.2 熱處理工藝

低壓鑄造車輪生產(chǎn)中，使用的是A356.2鋁合金，針對(duì)此材料采取熱處理。實(shí)際操作中，需充分考慮到淬火溫度、轉(zhuǎn)移時(shí)間、人工時(shí)效等因素，全面確保熱處理效果。伴隨固溶溫度的提升，加之在不同溫度下對(duì)應(yīng)的保溫時(shí)間存在差異，使得Mg2Si強(qiáng)化相特性發(fā)生變化，過(guò)飽和程度不盡相同，并對(duì)鑄件性能帶來(lái)影響。淬火環(huán)節(jié)，若鑄件不發(fā)生明顯變形，需適當(dāng)降低水溫，同時(shí)最大程度上縮短淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間。人工時(shí)效溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)尤為關(guān)鍵，會(huì)直接作用于Mg2Si強(qiáng)化相，使其表現(xiàn)出不同的彌散析出程度?？傮w上，固溶升溫速度、保溫時(shí)長(zhǎng)等多個(gè)因素均會(huì)對(duì)逐漸材料造成影響，均是關(guān)鍵的工藝要點(diǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

低壓鑄造鋁合金車輪質(zhì)量取決于所用材料的力學(xué)性能、鑄造工藝、配套設(shè)備等，需確保鑄工藝與模具的匹配性，合理控制熱處理參數(shù)，從各個(gè)細(xì)節(jié)出發(fā)，全面確保鋁合金車輪質(zhì)量。