低壓鑄造鋁合金車輪缺陷及對策

梁青良，張伯洪，宋躍茹，孫瑤龍

（1.浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司，浙江紹興 312500；2.新昌縣弘悅機械有限公司，浙江紹興 312500）

1 鋁合金車輪的發(fā)展及低壓鑄造

自改革開放以后，我國對低壓鑄件的需求量日益增長，大量鋁合金鑄造廠家不斷繁榮。自21世紀以后，我國鋁合金車輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度不斷提升，但是相對于國外來說，發(fā)展還存在較大差距，究其主要原因，大都由于生產(chǎn)設備落后，生產(chǎn)工藝不足，所以所生產(chǎn)的鋁合金鑄件的不合格程度相對較高。由于我國鋁合金鑄造技術(shù)發(fā)展較晚，新中國成立后，對鋁合金鑄造工業(yè)的發(fā)展重視度才不斷提升，自1980年以后，鋁合金車輪才得以發(fā)展鑄造，1990年以后，其發(fā)展步入跨越式階段，鋁合金車輪企業(yè)不斷繁榮，對鋁合金車輪鑄造缺陷的研究也不斷增多[1]。

當前，人們對能源利用率提升的需求不斷增長，所以縮小汽車的污染已經(jīng)成為人們追求的主要目標，其屬于汽車制造商材料選擇過程中必然考量的重點問題，受到多種因素的影響，汽車減重出現(xiàn)在人們的視野之中，為對顧客需求進行滿足，若是汽車的各項性能無法被滿足的情況下，車身的自重量將不斷提升，所以輕質(zhì)材料的應用重要性日益凸顯，依靠減重形式，促進燃油經(jīng)濟效益的增長。鋁合金的強度較高，輕便性較強，且耐腐蝕，已經(jīng)成為輕質(zhì)材料之中的首選材料。在金屬鑄造不斷發(fā)展的基礎上，積累生產(chǎn)經(jīng)驗，形成了鋁合金車輪低壓鑄造技術(shù)。其主要是在密閉的容器之中熔化金屬物質(zhì)，依靠液面壓縮性的惰性氣體或者空氣壓力，對金屬液壓力進行縮減，依靠升液管將其向型腔之中壓入，以確保其能夠受到壓力影響，在壓力束縛作用下不斷凝固，進而對液面的壓力進行縮減，以確保升液管之中的液相金屬液可向熔爐之中回流。低壓鑄造技術(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品逐漸具有較高的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)緊密性較強，并可最大程度縮減制造成本，所以已經(jīng)在國外大量企業(yè)之中廣泛應用，其中高達90%的汽車車輪均應用低壓鑄造形式制作[2]。在鋁合金車輪制作中，應用低壓鑄造技術(shù)，可促進產(chǎn)品性價比的提升，增強其質(zhì)量。

2 鋁合金車輪低壓鑄造

2.1 輪轂設計

輪轂設計涵蓋輪轂自身結(jié)構(gòu)及制作工藝設計兩部分內(nèi)容，設計前，必須精準地計算結(jié)構(gòu)強度，其會對車輪應用過程中可能出現(xiàn)的問題提前發(fā)現(xiàn)，并依靠對應工藝實現(xiàn)優(yōu)化目的，降低問題的發(fā)生率。當前，依靠計算機軟件進行部分工作設計，使得輪轂設計便捷化程度不斷提升。無論任何類型的輪轂設計，均可以提前估算，其對于低壓鑄造工藝的應用來說，積極效用顯著。設計輪轂模具也屬于最關鍵的設計步驟，若是設計中出現(xiàn)問題，將直接降低工廠所制造的輪轂產(chǎn)品品質(zhì)，所以，生產(chǎn)車輪廠家正式進行模具生產(chǎn)制造前，必須評審模具設計，以確保投入生產(chǎn)的產(chǎn)品特征，是最優(yōu)設計方案。設計人員及相關專家必須對應用的材料和設備進行詳細把控，同時，把控模具設計的關鍵，以奠定良好產(chǎn)品鑄造的基礎，降低鋁合金車輪低壓鑄造中問題的發(fā)生率[3]。

2.2 低壓鑄造流程

首先，鑄造前做好充足的準備，對模具進行檢查，開展噴砂及涂料干預，并合理性地開展預熱干預。若是不認真對待，不僅會導致后續(xù)操作難度的提升，還會導致低壓鑄造缺陷的形成。在模具的檢查過程中，需要對模具的編號和側(cè)模進行檢查，觀察標識與參數(shù)表的一致性，分析其與計劃表的一致性。開展模具噴砂干預是對模具進行清理的主要方式，其可對模具表面的涂料及參雜物質(zhì)進行去除。噴涂涂料指的是在模具內(nèi)壁上進行特殊涂料的涂抹，降低鑄造過程中金屬材料損壞模具內(nèi)壁問題的形成，降低后續(xù)脫模不順利的問題發(fā)生。模具處理干預前，預熱處理十分關鍵，其會導致涂料中所涵蓋的揮發(fā)性物質(zhì)能夠充分揮發(fā)，確保模具尺寸正常，可生產(chǎn)正常的模具型號，確保尺寸正常，降低缺陷問題的形成[4]。

3 低壓鑄造鋁合金車輪的缺陷及處理措施

國內(nèi)學者針對低壓鑄造缺陷開展了大量的研究，對消除裂紋、氣孔等缺陷的方式開展了重點分析。由于鋁合金車輪鑄造技術(shù)的要求相對較高，必須保障其可對各種要求進行滿足，比如旋轉(zhuǎn)平衡、幾何公差、表面拋光及氣密性等。鑄造缺陷作為鋁合金車輪鑄造技術(shù)研究中不可或缺的重要問題，對其開展研究，并進行改善和優(yōu)化，效用將會十分顯著。

3.1 裂紋

裂紋缺陷會直接導致鋁合金車輪生產(chǎn)成本的提升，對鋁合金車輪生產(chǎn)產(chǎn)生影響，導致車輛安全受到嚴重威脅[5]。裂紋的產(chǎn)生主要由于低壓鑄造過程中的應力集中，所以必須科學地進行升液系統(tǒng)的設計。裂紋類型主要包括冷裂紋和熱裂紋兩種。冷裂紋的形成主要由于逐漸冷卻過程中的內(nèi)部壓力值超過逐漸自身強度的極限值而形成，其一般情況下會在鑄件表面形成。熱裂紋主要在合金凝固過程中發(fā)生，其與固態(tài)收縮過程中所受到的阻礙存在密切的相關性，若收縮過程中未遇到阻礙，則不會產(chǎn)生熱裂紋，若是阻礙存在，將會受到應力效用，形成枝晶間的液體金屬薄膜凝固不全，導致熱裂紋的產(chǎn)生。其主要由于開裂速度較快，導致金屬液無法及時對開裂部位進行填滿，導致裂縫生成。升液系統(tǒng)為鑄件及升液管、保溫套等共同構(gòu)成的，液態(tài)金屬由鍋中進入型腔的空間通道。若是升液管長度不足，將導致金屬液降溫幅度不夠問題，使得通道內(nèi)會早期凝固，所以升液系統(tǒng)的設計必須對模具和設備等因素進行綜合考量，盡量對金屬液面及澆口在鍋中的距離進行縮短，促進保溫套直徑的增加，以促進保溫層厚度的提升。在進行材料選擇過程中，也需要選擇保溫性較好的材料，一般情況下以硅酸鋁纖維氈作為保溫材料。為降低升液管中過早凝固的問題，必須對升液管的直徑進行擴大，降低鑄件頂出過程中，升液管凝固而導致開裂問題的形成。除此以外，為避免裂紋的出現(xiàn)，還需要在設計過程中，確保圓角的合理性，降低尖角結(jié)構(gòu)應力集中情況的形成，通過在截面設置在均勻結(jié)構(gòu)，在低壓鑄造中，以車輪不出現(xiàn)缺陷為前提，提升模具溫度。此外，還可以對澆口套開展優(yōu)化設計，相對于鐵澆口套來說，陶瓷澆口套具有更好的保溫性能，且整體結(jié)晶較好，不會沾鋁，具有較小的綜合能耗，可有效避免裂紋產(chǎn)生。

3.2 氣孔

氣孔屬于尺寸很小的孔洞，其直徑一般情況下在300μm 以下，氣孔形成的主要因素為液體鋁合金吸氫，由于氫的溶解度在凝固的環(huán)節(jié)中會不斷縮減，且其在凝固過程中的體積不斷縮小，凝固過程中晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等。若是合金液之中氫的溶解度高于固態(tài)合金中的情況下，合金液會吸收周圍空氣之中的氫。在液相鋁合金之中，氫的溶解度會隨著溫度的提升而不斷增大，凝固過程中釋放一部分，若是氫的濃度或者氫分壓超過凝固區(qū)域壓力的情況下，將導致氫氣孔的形成。對低壓鑄造過程中，鋁合金車輪氣孔缺陷進行優(yōu)化和控制的有效方式就是發(fā)展數(shù)學模型的發(fā)展，對形成過程進行模擬。早期模型主要進行局部溫度的預測，可用凝固范圍較小，并且只適用于含氫元素較少的合金。在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中，對分散氣孔位置及尺寸進行合理性的預測，尤其是復雜的工業(yè)系統(tǒng)之中，不僅包括局部凝固的條件，大面積的共晶體結(jié)構(gòu)和尺寸大小及氣孔位置分布均存在密切關系。共晶包還會導致氣體孔體積分數(shù)的增加，導致氣孔等效平均孔隙的增大，所以必須預防大面積共晶體的形成。微孔屬于低壓鑄造技術(shù)中常見的缺陷，車輪中出現(xiàn)氣孔不可避免，其中出現(xiàn)的特別小的孔洞就是微孔，在這一行業(yè)中，出現(xiàn)微孔的原因十分復雜，所以，對車輪氣孔缺陷進行有效處理，在鋁合金低壓鑄造過程中，必須采取徹底去除氫的爐料，對排氣裝置進行優(yōu)化設計，對充型環(huán)節(jié)的排氣能力進行優(yōu)化。在鋁液充型的過程中，必須確保合金液層流動性的良好程度，開展有序充型，應更少的進行涂料發(fā)氣量的選擇。除此以外，為對氣孔進行控制，必須確保冷卻合金液溫度的合理性，需要確保壓力和時間的充分程度，確?？茖W合理的進車車輪結(jié)構(gòu)的設計，以合理化的冷卻形式，保障系統(tǒng)凝固順序的正常化[6]。

3.3 氧化膜夾帶的處理

鋁和鋁合金在熔融情況下會迅速被氧化，在其接觸空氣的表面會形成一層氧化膜。在充型過程中，湍流過度將導致金屬夾帶部分氧化膜，導致低壓鑄造鋁合金車輪缺陷問題的形成，并且欠澆缺陷也與氧化膜存在密切的相關性，其還會對合金液的流動性產(chǎn)生不利影響，尤其是對充型環(huán)節(jié)的自由液面具有較大的影響。但是其缺陷的尺寸一般情況下均比較小，可見充型環(huán)節(jié)模具內(nèi)部障礙物會導致金屬液局部表面湍流情況，也會導致金屬液回流的發(fā)生。通過對低壓鑄造鋁合金車輪順序充型過程開展模擬，發(fā)現(xiàn)在車輪澆口部位，輪輞部位和輪輻部位接觸位置，會產(chǎn)生熔融金屬液回流的現(xiàn)象，所以必須對金屬本身流動速度進行降低，還需要依靠設計形式進行澆口位置的防范，降低輪輻湍流問題的發(fā)生，必須在車輪模具之中停止的時間進行延長，通過過濾好合金液，防范充型液之中存在較多的氧化膜，以此對缺陷的發(fā)生進行有效控制。

4 低壓鑄造鋁合金車輪缺陷的預防措施

4.1 噴涂材料的選用

噴涂材料的選用是在車輪澆筑之前所開展的關鍵，噴涂材料的種類、應用量將對低壓鑄造過程產(chǎn)生嚴重影響，若是噴涂材料選擇不正確，將形成噴涂料脫落問題，導致噴涂顆粒雜質(zhì)或者鑄件無法正常脫模等現(xiàn)象的發(fā)生，合理進行噴涂材料種類的選擇，合理的噴涂劑量十分關鍵，在噴涂材料選用過程中，必須不斷積累經(jīng)驗，持續(xù)優(yōu)化，進行最佳噴涂方式的選擇，以對鋁合金車輪缺陷問題開展有效的預防。

4.2 冷卻順序的科學把控

從澆鑄鑄件角度分析，冷卻順序?qū)ζ溆绊懯株P鍵，若是澆筑口部位冷卻的速度較快，將導致鑄件內(nèi)部會在冷卻過程中因收縮，無法得到流動金屬液有效的補充。鑄件內(nèi)部會形成孔洞缺陷或者沙眼缺陷，所以必須進行科學合理的把控。在對冷卻順序進行把控的過程中，不僅需要對模擬熱流情況進行關注，還需要不斷進行澆筑經(jīng)驗的積累。

4.3 鑄件的正常脫模

鑄件脫模過程中，影響因素相對較多，常見原因之一是模具設計時，上下模拔模斜度不足。此外，最常見的因素還有，澆筑速度過快。要求在策劃金屬鋁合金車輪低壓鑄造項目過程中，必須多方進行嚴格審核，對相關因素進行充分考量，以預防缺陷問題的發(fā)生，確保鋁合金車輪鑄件成品能夠正常脫模。

5 結(jié)束語

綜上所述，低壓鑄造鋁合金車輪中，主要包括裂紋、氣孔及氧化膜夾雜等問題缺陷，只有重點對鋁合金車輪的鑄造缺陷進行研究，加強對缺陷的重視程度，合理采取措施進行缺陷控制，才可促進鋁合金車輪性能的優(yōu)化，保障車輛駕駛安全性的提升。低壓鑄造在鋁合金車輪生產(chǎn)中的效用顯著，鑄造優(yōu)勢突出，但是鑄造缺陷將直接影響車輪的正常應用，所以具體問題具體分析。噴涂材料合理選擇，科學地對冷卻順序進行把控，并正常脫模，以合理措施降低缺陷發(fā)生率，以確保鋁合金車輪質(zhì)量更加輕便，散熱效用更加迅速，能耗更低，安全性更高，減震性更優(yōu)。