A356.2低壓鑄造鋁合金輪轂縮松分析及改善措施

張麗娟

摘要：鋁合金輪轂鑄造生產(chǎn)中各部位容易產(chǎn)生縮松缺陷，且是鑄件缺陷當中最常見的缺陷。通過鑄造模擬分析軟件分析鋁合金鑄件縮松產(chǎn)生的原因，并通過設(shè)置合理的冷卻風道及工藝改善此缺陷。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂;良品率;R角縮松;輪輻縮松;熱節(jié);順序凝固

前幾年汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，鋁合金輪轂供不應(yīng)求，各輪轂公司也沒有太追求良品率、輕量化，但這幾年鋁合金輪轂行業(yè)已進入了微利時代，競爭也進入了白熱化階段，各輪轂公司在提升產(chǎn)品良品率、毛坯輕量化、產(chǎn)品輕量化方面大力發(fā)展。

鋁合金輪轂制造技術(shù)是多種多樣的， 而鋁合金輪轂的鑄造工藝， 目前主要有兩種： 一種是金屬型重力鑄造， 一種是低壓鑄造，低壓鑄造還在其中占著最重要的地位。低壓鑄造相對重力鑄造來說優(yōu)點主要是：鑄件是在壓力下結(jié)晶，內(nèi)部組織比較致密， 機械性能好;金屬材料利用率相對較高。其實，這也只是和重力鑄造相比。低壓鑄造本身也是有很多問題的，也亟待解決。

鋁合金鑄造是必須符合順序凝固原則的，必須是重要部位先凝固，冒口部位后凝固，才能保證重要部位不產(chǎn)生缺陷，性能能夠滿足要求，但如果凝固過程類似于下面的過程，雖然也屬于順序凝固的范疇，但因在凝固過程中輪輻中間部位出現(xiàn)中斷，導致輪輻R角部位不能得到及時的補縮，而產(chǎn)生縮孔或縮松。

我們知道，A356.2的液相溫度為613℃，固相溫度為556℃，其結(jié)晶過程是在這個溫度范圍內(nèi)逐步完成的。隨著枝晶的不斷增大，其粘度升高，流運性變差，而且補縮是在枝晶間的縫隙內(nèi)進行的，溫度越低，枝晶越大，縫隙越小，補縮能力越差。在A356.2這種固液結(jié)合的狀態(tài)中，有一個臨界點，這個臨界點值的大小和補縮能力有關(guān)，低壓鑄造、高壓鑄造及重力鑄造這個臨界點是不同的，對于低壓鑄造來說，理論上一般取50%，當液相分數(shù)少于這個臨界點時，A356.2的宏觀補縮通道已經(jīng)基本關(guān)閉，無論加壓多少，周期加長多久，對補縮已經(jīng)基本不起作用了。這個液態(tài)臨界分數(shù)是產(chǎn)生縮松的本質(zhì)，只有液態(tài)分數(shù)高于這個臨界點時才有補縮通道的存在。

對于低壓鑄造鋁合金輪轂來說，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是相對固定的，主要是尺寸的不同，雖然屬于回轉(zhuǎn)件，但由于輪輞及輪輻的壁厚較薄，也應(yīng)屬于薄壁鑄件的范疇，其有效的補縮時間是非常有限的，大概只有60-100S，若想各部位補縮充分，時間一定要把握好。

我們一般解決R角縮松的辦法不外乎就是加封層、減薄底模及上模底部厚度（改變產(chǎn)品除外），無論是哪一種，都是為了提升輪輻部位的溫度，延長補縮時間，一般情況下，通過這些措施能延長補縮時間10-20S。適用于熱量守恒定律：Cp鋁×ρ鋁×V鋁×T降=Cp鋼×ρ鋼×V鋼×T升，其中Cp及ρ全部為材料固有屬性，為定量，只有體積V及溫度T可變，V鋁增大及V鋼減小，都可以使T升增大，都可更利于R角補縮。

對低壓鑄造來說，冷卻系統(tǒng)是模具的重要組成部分，冷卻工藝是鑄造工藝的核心，冷卻直接作用在模具上使之形成穩(wěn)定的溫度場，間接作用在鑄件上加速冷卻部位的凝固速度。對于鋁合金鑄造來說，冷卻的目的為：

①加速熱節(jié)點部位的凝固，減少其縮松的產(chǎn)生（主要是R角部位）;

②提高冷卻部位的機械性能（主要是輪輻部位）;

③使鋁液集中的厚大部位加速凝固（主要是中心部位）;

冷卻的目的不同，冷卻的開關(guān)時機是有區(qū)別的，一旦錯過了最佳時機，冷卻效果將大打折扣。

①對于解決縮松問題的冷卻，在其前端還存在補縮通道時冷卻時間越長、強度越大，對解決縮松問題效;

②對于提高機械性能的冷卻，在其結(jié)晶過程中施加冷卻，能最大限度的提高性能;

③對于加快厚大部位凝固的冷卻，在不影響其他部位凝固順序和補縮的前提下盡早開啟。

圖2為鋁合金輪轂鑄件主要冷卻通道分布圖，各個冷卻通道開關(guān)時間和冷卻強度不僅要考慮其冷卻目的，還要考慮此風道對鑄件其他部位的影響。

R角位置作為鋁合金輪轂主要的熱節(jié)點，如何改善此部位的縮松問題是輪轂行業(yè)一直以來的難點，這就顯得冷卻設(shè)計及工藝配置尤為重要。通過前面的分析可以看出，輪輻部位對R角的補縮時間非常短，我們可以通過鑄造模擬分析軟件分析好后再配置冷卻位置、冷卻時間及冷卻的開關(guān)時間。當然，工藝配置時也要綜合考慮輪輞的凝固順序，不能產(chǎn)生輪輞縮松。

除了R角部位易產(chǎn)生縮松外，輪輻部位也容易產(chǎn)生縮松，輪輻縮松后分析機械性能，無論是延伸率、還是抗拉強度、屈服強度都會下降，影響輪轂的整體強度。對于提高輪輻性能的冷卻，只有在其結(jié)晶的過程中的冷卻才有效，輪輻凝固完成后的冷卻對提高輪輻機械性能就沒有什么影響了，只會阻礙R角部位的補縮，是不可取的。如圖3是模擬分析中兩點的溫度曲線。

以上已經(jīng)提到了低壓鑄造的液相分數(shù)有一個臨界點50%，R角部位補縮已經(jīng)在液相分數(shù)大于50%時完成，當液相分數(shù)小于50%（即上表中凝固50-100%之間）時，可以施加冷卻（即輪輻A點的最佳冷卻設(shè)置時間為90-185S，輪輻B點的最佳冷卻設(shè)置時間為110-240S），便于提升輪輻機械性能。

從冷卻分布圖及模擬分析來看，輪心位置是低壓鋁合金鑄造冷卻最集中的部位，也是最后凝固的部位，其冷卻強度及時間受鑄造周期的影響，冷卻要持續(xù)到開模時再關(guān)閉，但具體開啟時間要根據(jù)不同的輪型及X-ray的檢測結(jié)果來判定。

結(jié)論：鋁合金鑄造最易產(chǎn)生縮松的位置主要有輪輻、輪輻R角、輪心及輪輞，無論是通過鑄造模擬分析軟件提前預(yù)防，還是生產(chǎn)過程當中通過工藝調(diào)整來控制，只要我們對各部位產(chǎn)生縮松的原因分析到位了，冷卻時機把控了，就一定能做到事半功倍。

參考文獻：

[1]龐午驥，曹振偉，萬金華.鋁合金車輪制造技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].鋁加工，2017（2）：4-7.

[2]邱孟書，王小平.低壓鑄造實用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社 2011，4.

[3]亢彥海.汽車用鑄造鋁合金輪轂低壓模具的設(shè)計[J].現(xiàn)代零部件，2011（10）：70-73.

[4]代穎輝，儲秀欣.基于ProCAST的汽車輪轂鋁合金輪輻模具設(shè)計[J].鑄造，2014（5）：476-478.

[5]趙樹國，曹陽，黃宏軍，等.半固態(tài)擠壓過共晶鋁硅鐵合金組織與性能的研究[J].鑄造，2013，62（12）：1172-1175.