低壓鑄造鋁合金輪轂的研究現(xiàn)狀

周 振，盧德宏，李貞明，逯東輝

（1.昆明理工大學(xué) 材料與科學(xué)工程學(xué)院,云南昆明 650500；2.云南富源今飛輪轂制造有限公司,云南曲靖 655000）

1 低壓鑄造在鋁合金輪轂生產(chǎn)上的應(yīng)用

1.1 低壓鑄造的原理

低壓鑄造的基本原理如圖1[1]所示。首先將密封坩堝中的金屬液加熱到合適的充型溫度，同時(shí)將模具加熱到合適的預(yù)熱溫度，然后使干燥的空氣通入到密閉的坩堝上方，作用于金屬液的表面，讓型腔和坩堝之間形成一定的壓力差，金屬液在壓力的作用下，先充滿升液管繼而充滿型腔。充型完成后，金屬液在壓力和模具冷卻的作用下自上而下順序凝固。最后，卸掉壓力，待升液管、澆道內(nèi)尚未凝固的合金液依靠自重回落到坩堝中，再升模取出鑄件[2，3]。

圖1 低壓鑄造基本原理圖[1]

1.2 低壓鑄造的工藝特點(diǎn)

低壓鑄造是在低壓下的反重力鑄造，相比于傳統(tǒng)的鑄造方式有如下的優(yōu)勢(shì)：（1）金屬液是在低壓下充型，金屬液平穩(wěn)性較好，可避免充型時(shí)紊流和湍流的產(chǎn)生，減少卷氣和氧化膜夾雜產(chǎn)生的幾率，提高鑄件的質(zhì)量[4，5]。（2）充型完成后，進(jìn)一步提高壓力，使鑄件在保壓下完成凝固和結(jié)晶，組織更加致密，力學(xué)性能較高。（3）澆注參數(shù)容易控制，可以通過自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)不斷的反饋來修正工藝參數(shù)，從而獲得最佳充型效果[6-8]。（4）低壓鑄造的材料利用率高，與傳統(tǒng)鑄造相比，不需要冒口的補(bǔ)縮，同時(shí)卸壓時(shí)升液管和澆道里的金屬液會(huì)回流至坩堝內(nèi)，大大提高了材料的利用率[9]。

1.3 低壓鑄造在鋁合金輪轂生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)

市面上常見的輪轂有鋼質(zhì)輪轂和鋁質(zhì)輪轂。鋼制輪轂的強(qiáng)度高，一般用于重載汽車，但是鋼質(zhì)輪轂重量大，不符合如今低碳、節(jié)能、輕量化的理念，正逐漸被鋁合金輪轂取代[10-12]。鋁合金輪轂的生產(chǎn)工藝有低壓鑄造、擠壓鑄造、鑄造旋壓、鍛造、鑄造鍛造、半固態(tài)模鍛等[13]。相比于其他工藝，低壓鑄造輪轂組織較致密，機(jī)械性能較高，金屬利用率高，而且成本低，因此成為當(dāng)前鋁合金輪轂制造的主流工藝。但是低壓鑄造工藝仍存在一些缺陷問題未解決，如輪輻和輪輞處產(chǎn)生缺陷，輪心處的晶粒粗大，輪緣上的縮孔縮松等。針對(duì)這些缺陷，研究者提出了相應(yīng)的工藝，如修改模具的溫度和厚度、風(fēng)冷和水冷等[14-18]。

2 低壓鑄造鋁合金輪轂缺陷的研究現(xiàn)狀

王躍威等[19]研究表明在低壓鑄造的過程中，鋁合金液充型的順序一般是輪心—輪輻—輪輞—輪緣，凝固時(shí)由于輪輞和輪緣是薄壁部分，同時(shí)遠(yuǎn)離澆口，所以凝固的順序?yàn)檩喚墶嗇y—輪輻—輪心，如圖2 所示，其凝固方式為順序凝固。

圖2 低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)添樞騕19]

總結(jié)起來，輪轂產(chǎn)生的缺陷可以分為兩部分，一部分是由于凝固時(shí)產(chǎn)生的缺陷，一部分是由于充型產(chǎn)生的缺陷。

充型缺陷的影響因素有澆注溫度和澆注速度、升液壓力和時(shí)間、充型壓力和時(shí)間、加壓壓力和時(shí)間、模具設(shè)計(jì)等。

凝固缺陷的原因是因?yàn)檩嗇灈]有實(shí)現(xiàn)完全的順序凝固。輪轂整體的凝固順序可以通過調(diào)節(jié)模具的溫度來控制，局部的凝固順序可以采用局部風(fēng)冷或水冷來實(shí)現(xiàn)，其中水冷的冷卻效果要好于風(fēng)冷，同時(shí)水冷和風(fēng)冷的開啟時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、流速對(duì)水冷和風(fēng)冷的效果都有影響，保壓時(shí)間和壓力、卸壓時(shí)間對(duì)缺陷的減少也有一定的效果。

2.1 充型過程對(duì)輪轂缺陷的影響

低壓鑄造澆注過程中，合金液在壓力作用下充型，可以提高合金液的流動(dòng)性，有利于獲得輪廓清晰的鑄件，可適用于不同壁厚、不同高度和不同結(jié)構(gòu)的鑄件[20]。同時(shí)，充型壓力可控，能有效地控制充型速度，使合金液充型平穩(wěn)，減少或避免合金液在充型時(shí)的翻騰、沖擊、飛濺現(xiàn)象，從而減少氧化渣的形成，避免或減少鑄件缺陷，提高鑄件質(zhì)量[21]。但是，不合適的充型工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致輪轂產(chǎn)生卷入性缺陷；輪轂尺寸越大，輪輻與輪輞交界處金屬液的充型速度就越大，澆口處的充型速度也越大，容易在輪輻與輪輞的交界處形成旋渦，增加了卷氣和夾雜產(chǎn)生的可能性。

韓恒恒等[22]研究發(fā)現(xiàn)，通過減小橫澆道的長(zhǎng)度并增加其高度，同時(shí)采用較低的加壓速度充填橫澆道，能夠減少卷氣幾率。劉閃光等[23]研究表明，對(duì)升液階段充型速度影響最大的是升液管插入坩堝內(nèi)金屬液面以下的初始深度。由圖3 可知，減小升液管插入坩堝內(nèi)液面以下的初始深度可以增加速度振幅的衰減速度，有利于金屬液盡快以平穩(wěn)的流動(dòng)狀態(tài)充型。但是，升液管插入過淺，坩堝內(nèi)液面很容易降到升液管底部以下，造成事故。因此在減小升液管插入液面以下深度的同時(shí)，需要增大坩堝的橫截面積，以避免坩堝內(nèi)金屬液面下降太快。

圖3 升液管插入液面以下深度對(duì)充型速度的影響[23]

熊明輝等[24]研究表明，隨著充型速度的增加,鑄件內(nèi)部縮孔縮松的含量顯著增加；澆注溫度越高,鑄件內(nèi)部縮孔縮松也越多。肖飛等[25]根據(jù)鑄件充型的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),在充型過程中金屬液前沿出現(xiàn)參差不齊的現(xiàn)象，認(rèn)為這種現(xiàn)象主要是由于澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理造成的。沈高榮等[26]研究表明，由于保壓時(shí)間過長(zhǎng)，或升液管過長(zhǎng)造成升液管內(nèi)液體出現(xiàn)凝固，使輪轂鑄件頂出時(shí)承受一定的拉力，造成輪轂產(chǎn)生冷裂。因此，設(shè)計(jì)合理的保壓時(shí)間和升液系統(tǒng)，對(duì)減少輪轂在頂出時(shí)造成的開裂有十分重要的意義。

通過上述研究可知：低壓鑄造充型過程中會(huì)出現(xiàn)卷氣和夾雜，導(dǎo)致輪轂鑄件出現(xiàn)針孔缺陷等問題。針對(duì)上述問題，除了對(duì)充型過程參數(shù)進(jìn)行研究，還可考慮澆注和冷卻過程中溫度與壓力對(duì)最終鑄件中針孔缺陷程度的影響，同時(shí)在鋁合金金屬液澆注前充分做好過濾網(wǎng)的修剪工作，避免纖維絲脫落進(jìn)入鋁液；另外通過提高鋁液質(zhì)量和完善澆注系統(tǒng)等手段，可以降低鋁合金輪轂輪緣的鑄造缺陷[27-29]。

2.2 模具對(duì)輪轂缺陷的影響

2.2.1 模具溫度對(duì)缺陷的影響

周鵬等[30]研究了模具溫度對(duì)鑄造缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)模具溫度的設(shè)置要大體符合T輪緣＜T輪輞＜T輪輻的原則。如圖4 所示，不同文獻(xiàn)的模具溫度也驗(yàn)證了這一原則。從輪轂的結(jié)構(gòu)來說，輪轂要實(shí)現(xiàn)自上而下、由外及里的順序凝固，才能避免產(chǎn)生缺陷。要實(shí)現(xiàn)自上而下的凝固，即需要保證T輪緣＜T輪輞＜T輪輻，T側(cè)模、T上模＜T下模，而要保證由外及里的凝固需要滿足T側(cè)模＜T上模，所以模具溫度的設(shè)置大體要符合T側(cè)模＜T上模＜T下模，T輪緣＜T輪輞＜T輪輻的原則。

圖4 模具的不同位置

2.2.2 模具結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷的影響

周堃等[31]修改了側(cè)模,減少了輪輞上半部尺寸梯度、減少熱集中區(qū),避免“熱節(jié)”出現(xiàn),有利于該位置實(shí)現(xiàn)順序凝固,模擬與試生產(chǎn)結(jié)果均表明輪輞上半部的收縮缺陷明顯減少。

馬鈴薯提取物，上海一研生物科技；葡萄糖（食品級(jí)），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；瓊脂粉，北京振泰生物；咖啡堿（純度≥99%）、可可堿（純度≥95%）、茶堿（純度≥99%）。葡萄糖試劑盒、蛋白質(zhì)含量檢測(cè)試劑盒，南京建程生物工程研究所。

唐計(jì)龍等[35]通過模擬表明，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)使充型后期的金屬液面出現(xiàn)高低不平，經(jīng)過修改模具移除下模的凸起圓柱，金屬液才得以平穩(wěn)的充型。秦鵬等[36]表明模具結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致卷氣的產(chǎn)生。李寧等[37]研究表示底模由于高溫鋁合金液的作用出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，在周期性的鑄造過程中會(huì)產(chǎn)生熱疲勞，導(dǎo)致模具精度和壽命降低。因此，對(duì)模具邊模壁厚進(jìn)行了減薄，并將整體結(jié)構(gòu)做成階梯型，有利于鑄件完成自上而下的順序凝固。

以上研究表明：模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和澆道不合理會(huì)導(dǎo)致金屬液充型時(shí)產(chǎn)生紊流和湍流，從而導(dǎo)致卷氣和氧化膜的卷入，使得輪轂在充型時(shí)就產(chǎn)生卷入性缺陷。修改模具的厚度，使得凝固時(shí)輪輞的溫度梯度減少，更容易完成順序凝固，從一定程度上能減少缺陷的大小，但不能完全消除。

2.3 模具冷卻方式對(duì)輪轂缺陷的影響

只進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一般不能完全消除缺陷，不少人對(duì)水冷和風(fēng)冷的工藝進(jìn)行了探索。

蘇大為等[38]通過采用風(fēng)冷的工藝，使得輪轂形成“熱節(jié)”區(qū)域的時(shí)間延后,且位置向上移動(dòng),面積略微有所減少,但對(duì)“熱節(jié)”減小的作用并不明顯。而后在風(fēng)冷的基礎(chǔ)上增加了水冷，并增加水的流速，使得原來缺陷位置先于輪輻上部冷卻，實(shí)現(xiàn)了部分順序凝固，從而消除了鑄造缺陷。趙巖等[39]通過改變模具溫度和底模的厚度減少了缺陷，但是沒有消除“孤立熔池”的現(xiàn)象。進(jìn)一步增加了水冷，根據(jù)金屬液充型后鑄件缺陷部位的溫度場(chǎng)，來判斷水冷開啟的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間；為確定最佳的水冷參數(shù)，采用正交實(shí)驗(yàn)的方法獲得最佳數(shù)值。楊瑤等[40]通過將加風(fēng)冷和水冷工藝與未加冷卻工藝的輪轂金相組織進(jìn)行對(duì)比，表明了添加風(fēng)冷和水冷后輪轂的組織確實(shí)更加均勻。王璨等[41]通過在模具上增加冷卻水管T1、T2、B1 以及10 根風(fēng)管S1，具體位置如圖5 所示（位置和大小根據(jù)缺陷位置來確定），使得輪轂的缺陷得以消除，同時(shí)輪緣部位的二次枝晶臂間距減小了11.556μm，輪輞部位減小了8.955μm，輪輞與輪輻連接處減小了8.593μm，輪輻部位減小了9.053μm，輪心部位減小了14.47μm。

圖5 水管風(fēng)管安裝位置圖[41]

上述研究表明：在模具工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上，單獨(dú)采用風(fēng)冷不能使得輪轂的局部缺陷消除，需要水冷，或者風(fēng)冷和水冷同時(shí)作用；同時(shí)，冷卻開啟的時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和流速對(duì)缺陷的大小都有影響。冷卻水開啟時(shí)間過早使輪輞位置在凝固時(shí)得不到溶液的補(bǔ)縮，產(chǎn)生縮松。延遲冷卻水的開啟時(shí)間雖然可以消除輪輞的縮松，但是冷卻水不能夠在鋁合金的固液相線之間起到冷卻作用，只改變了模具溫度，使模具溫差變大，減少模具的使用壽命，風(fēng)冷也是同理[39]。目前，確定風(fēng)冷和水冷最佳工藝參數(shù)的方法是通過正交實(shí)驗(yàn)或者區(qū)間逼近的方法，找到大概的范圍，然后再結(jié)合溫度場(chǎng)和凝固場(chǎng)，或者溫度變化曲線圖來確定這些因素的最佳值。水冷和風(fēng)冷工藝的結(jié)合確實(shí)能消除鑄造缺陷，使組織更加均勻，減小二次枝晶臂間距，提高輪轂的力學(xué)性能[42]。

2.4 鑄造缺陷對(duì)輪轂力學(xué)性能影響

陳佳筠等[43]研究表明，輪轂先凝固的部位組織較為細(xì)密，后凝固的部位組織略粗大，因此輪輞部分的力學(xué)性能較好，輪心部分的性能較差。測(cè)試了輪轂不同位置的強(qiáng)度與平均枝晶臂間距，如表1。

表1 輪轂不同位置的強(qiáng)度與平均枝晶臂間距[43]

田金云等[44]采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)鋁合金輪轂疲勞性能進(jìn)行了研究。輪轂在試驗(yàn)載荷3700N·m 和螺母初始扭矩105～115N·m 的作用下，完成了25萬轉(zhuǎn)之后未出現(xiàn)裂紋，符合彎曲疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)在載荷17920N、輪胎215/50R17、轉(zhuǎn)數(shù)250萬、充氣壓力450kPa、螺母初始扭矩10～115N·m的作用下完成徑向疲勞試驗(yàn)，也未出現(xiàn)裂紋。而后在沖擊實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)裂紋易發(fā)點(diǎn)為輪輻根部，與模擬計(jì)算結(jié)果基本相符。

邊雷雷等[45]發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中部位與輪轂缺陷部位基本一致。在螺栓預(yù)緊力作用下，重載車輪轂螺栓孔附近的應(yīng)力應(yīng)變受其影響較大。試驗(yàn)彎矩對(duì)輪轂應(yīng)力影響主要發(fā)生在輪輻部位，同時(shí)發(fā)現(xiàn)外輪輞連接內(nèi)胎圈座圓角處的第一主應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中，并隨著加載方向的變化而變化。表2 為輪轂疲勞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

表2 輪轂疲勞試驗(yàn)結(jié)果[45]

上述研究表明：由于輪轂的鑄造缺陷會(huì)導(dǎo)致輪轂不同部位的力學(xué)性能變差，使得輪轂的疲勞強(qiáng)度達(dá)不到工作的需求，所以重要的還是對(duì)輪轂的鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，獲得滿足力學(xué)性能的輪轂鑄件。

3 低壓鑄造鋁合金輪轂工藝改進(jìn)和發(fā)展趨勢(shì)

3.1 低壓鑄造鋁合金輪轂的工藝改進(jìn)

充型過程產(chǎn)生的缺陷主要是因?yàn)槌湫退俣瓤刂撇划?dāng)、夾雜物的卷入等原因。然而實(shí)際充型過程類似于黑箱，難以通過充型參數(shù)精準(zhǔn)地控制充型過程。對(duì)此，可以通過計(jì)算機(jī)模擬充型過程與實(shí)際過程中智能檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合，來提高充型速度的準(zhǔn)確性；夾雜物的卷入可以通過充型前細(xì)致的準(zhǔn)備工作來避免。

凝固過程產(chǎn)生的缺陷主要是因?yàn)檩嗇灈]有實(shí)現(xiàn)精確的順序凝固，目前主流的改進(jìn)方案是改進(jìn)模具的工藝，例如改變模具的結(jié)構(gòu)和溫度、在模具上增加風(fēng)冷和水冷等。未來可以考慮冷卻效果更好，更安全的方式，如熱管等。

3.2 低壓鑄造鋁合金輪轂發(fā)展趨勢(shì)

目前鋁合金輪轂已經(jīng)逐步取代鋼制輪轂，但是在大型輪轂領(lǐng)域，鋁合金輪轂的性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，未來應(yīng)加強(qiáng)低壓鑄造的研究。

應(yīng)加強(qiáng)關(guān)于尺寸大、承重大的重載鋁合金輪轂方面的研究。尺寸的加大將提出一系列新的研究課題，例如充型能力加強(qiáng)與卷氣、夾渣缺陷的矛盾加大、順序凝固的實(shí)現(xiàn)和鑄造缺陷的消除難度更大、力學(xué)性能要求更高等，這些問題都是未來可以深入研究的方向[46]。

應(yīng)加強(qiáng)鋁液性能的改進(jìn)，如添加稀土元素和細(xì)化劑[47，48]，采用這些工藝可以一定程度上提高鋁合金自身的伸長(zhǎng)率與拉伸強(qiáng)度，同時(shí)還可以改進(jìn)鋁合金的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度[49]。

應(yīng)加強(qiáng)低壓鑄造智能化的研究,即要將傳統(tǒng)的低壓鑄造技術(shù)與新興的大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等相融合,實(shí)現(xiàn)軟實(shí)力的提升,也要加快特殊功能傳感器和設(shè)備自動(dòng)化的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)硬件的升級(jí),還需要鑄造從業(yè)人員整體能力的提升和知識(shí)的拓展,以更高的水平推動(dòng)低壓鑄造智能化向前發(fā)展[50，51，52]。