鍛造鋁合金輪轂缺陷及檢測(cè)方法的研究

孫愛軍，任 秋，呂金旗

（中信戴卡股份有限公司試驗(yàn)中心，河北秦皇島066003）

1 鍛造鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)

鍛造鋁合金輪轂的重量比鐵輪轂輕50%；強(qiáng)度比鐵輪轂增加4～5 倍；具有散熱快、圓度高、動(dòng)平衡好、操縱性好、美觀等優(yōu)點(diǎn)。尤其是近幾年來，隨著國(guó)際油價(jià)的上漲，美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家都在發(fā)展輕量化汽車，以降低油耗。因此，越來越多的鐵輪轂被鍛造鋁合金輪轂取代。

2 鍛造鋁合金的特點(diǎn)

鋁合金因具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工、資源豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

鍛造工藝能極大改善鋁合金材料的組織和性能，如打碎柱狀晶、改善宏觀偏析和把鑄態(tài)組織變?yōu)殄憫B(tài)組織，并在合適條件下，閉合內(nèi)部孔隙，提高材料致密度。經(jīng)鍛造后形成的金屬流線可提高零件的幾何尺寸質(zhì)量。下面以6061 鍛造鋁合金為例[1]介紹鍛造鋁合金的特點(diǎn)。

（1）可鍛性：鍛造用鋁合金一般都具有較好的塑性。但由于其流動(dòng)性差，在鍛造時(shí)能量消耗較大，比低碳鋼多消耗約30%的能量。

（2）導(dǎo)熱性：由于鋁合金導(dǎo)熱性好、易于均勻熱透，加熱時(shí)內(nèi)應(yīng)力小，可進(jìn)行快速加熱。

（3）變形速度：在鍛造溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)鋁合金的工藝塑性并不隨著變形速度的增大而發(fā)生顯著降低，因此在滿足質(zhì)量條件下，可提高變形速度來提高生產(chǎn)效率。

（4）鍛造溫度范圍：鋁合金的鍛造溫度范圍要求比較嚴(yán)格，一般在530～550℃左右。

（5）流動(dòng)性：鋁合金質(zhì)地軟，外摩擦系數(shù)較大，導(dǎo)致其流動(dòng)性較差，模鍛時(shí)難以成形。

3 鍛造鋁合金輪轂的生產(chǎn)工藝及主要缺陷成因

以6061 鍛造鋁合金輪轂生產(chǎn)為例，其生產(chǎn)工藝如圖1 所示。

圖1 鍛造鋁合金輪轂生產(chǎn)工藝

對(duì)于鍛造鋁合金輪轂，其組織纖維分布對(duì)抗疲勞極限和腐蝕性能都有影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些缺陷往往發(fā)生在鍛造輪轂表層，發(fā)生在纖維伸出的地方。由于纖維伸出的地方在微觀上本身就是一個(gè)缺陷，很容易成為應(yīng)力集中處，在交變載荷作用下極易成為疲勞源，產(chǎn)生疲勞裂紋。

由于鋁合金本身的鍛造特性使得鋁合金在鍛造時(shí)容易出現(xiàn)以下幾種缺陷[2]：

（1）折疊：折疊是造成鍛造鋁合金輪轂廢品的主要缺陷，60%～70%的廢品因折疊造成。產(chǎn)生折疊的原因主要有：鍛件斷面形狀、大小變化過于劇烈，使金屬流動(dòng)軌跡過于復(fù)雜；沒有預(yù)制坯和預(yù)鍛，直接鍛造形狀非常復(fù)雜的鍛件；預(yù)制坯和預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)不合理；鍛造時(shí)，操作失誤、潤(rùn)滑不均、加壓速度太快，等。

根據(jù)多年的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，折疊缺陷多發(fā)生在調(diào)機(jī)生產(chǎn)階段。

（2）過燒：鋁合金可鍛溫度范圍窄，其鍛造加熱溫度，尤其是淬火溫度很接近合金的共晶熔化溫度，因此鋁合金鍛件極易發(fā)生過燒。坯料過燒后，表面發(fā)暗，易有氣泡，而且再次鍛壓容易產(chǎn)生裂紋。

生產(chǎn)中，對(duì)于過燒坯料只可再回爐加熱一次，而且對(duì)過燒坯料要集中控制，不能與正常坯料混放；對(duì)過燒坯料產(chǎn)品要做詳細(xì)檢測(cè),以防止缺陷產(chǎn)品流出。

（3）大晶粒：在鍛造鋁輪轂的表面、鍛件變形程度小而尺寸較大的部位和變形程度大的區(qū)域以及飛邊區(qū)附近，鍛鋁和硬鋁很容易產(chǎn)生粗大晶粒。

（4）裂紋：鍛造鋁合金輪轂容易產(chǎn)生表面和內(nèi)部裂紋。坯料加熱不足、保溫時(shí)間不夠、鍛造溫度過高或過低，變形程度太大、變形速度太高、鍛造過程中產(chǎn)生的彎曲和折疊沒有及時(shí)消除再次進(jìn)行鍛造，都可能產(chǎn)生表面裂紋。坯料內(nèi)部存在有粗大的氧化物夾渣和低熔點(diǎn)脆性化合物，變形時(shí)在拉應(yīng)力和切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生開裂，并不斷擴(kuò)大，這是鋁合金鍛件內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的主要原因。同時(shí)，模具和鍛壓設(shè)備沒有預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不夠也可能引起鍛造鋁合金輪轂產(chǎn)生裂紋。

（5）流線不順、渦流和穿流：其成因與折疊基本相同，也是由于金屬對(duì)流或流向紊亂而造成，只不過有的部位盡管存在有流線不順和渦流現(xiàn)象，但未能發(fā)展至折疊那樣嚴(yán)重的程度。穿流和渦流明顯降低塑性指標(biāo)、疲勞性能和抗腐蝕性能。

（6）粘模、起皮：鋁合金因質(zhì)地軟、摩擦系數(shù)大，容易粘模，容易引起輪轂起皮，表面粗糙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因不能脫模而中斷生產(chǎn)。鍛造毛坯粘模缺陷的起因，一般認(rèn)為是潤(rùn)滑不足，或潤(rùn)滑劑使用不當(dāng)造成的。因?yàn)檫@種缺陷在生產(chǎn)中發(fā)生幾率較小，其控制方法還在繼續(xù)探索中。

綜上所述，鍛造鋁合金輪轂主要缺陷集中在表面，以裂紋、折疊、起泡等為主要表現(xiàn)形式，其內(nèi)部缺陷較少。

4 鍛造鋁合金輪轂缺陷的檢測(cè)方法

針對(duì)鍛造鋁合金輪轂主要缺陷集中在輪轂表面的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要方法有目測(cè)法、熒光滲透探傷檢測(cè)法、超聲波探傷檢測(cè)法，以及渦流探傷檢測(cè)法。

4.1 目測(cè)法

在生產(chǎn)中，因折疊而產(chǎn)生的較大裂紋，以及因坯料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的較大裂紋，一般通過目測(cè)即可發(fā)現(xiàn)。通常這些大裂紋幾何長(zhǎng)度會(huì)有30mm～50mm，尤其是鍛造生產(chǎn)線調(diào)機(jī)下線的最初產(chǎn)品，幾乎件件都會(huì)有折疊缺陷產(chǎn)品。隨著鍛造生產(chǎn)流水線與毛坯棒料、生產(chǎn)環(huán)境磨合一段時(shí)間后（10～30min），該缺陷產(chǎn)品會(huì)大幅減少。

通過目測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品，以避免鍛造毛坯進(jìn)入成形工序是非常必要的檢測(cè)手段。生產(chǎn)中，有專業(yè)質(zhì)檢人員對(duì)每件下線毛坯進(jìn)行目測(cè)，避免廢品流轉(zhuǎn)。

4.2 熒光滲透探傷檢測(cè)法

鍛造輪轂經(jīng)過機(jī)加工后，一般要經(jīng)過熒光滲透檢測(cè)。

滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)，主要用于檢測(cè)金屬表面開口、裂紋等缺陷。檢測(cè)時(shí)，將溶有熒光染料的滲透液施加到零件表面，在毛細(xì)作用下，滲透液滲入到細(xì)小的表面開口缺陷中，通常可以顯示寬0.5μm、深10μm、長(zhǎng)1mm 的細(xì)微裂紋。清除附著在輪轂表面的多余滲透液，經(jīng)干燥后再噴涂顯像劑，缺陷中的滲透液在毛細(xì)作用下被重新吸附到輪轂表面上，就形成放大了的缺陷顯示，即可檢測(cè)出缺陷的形貌和分布狀態(tài)[3]。

4.3 超聲波探傷檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)是一種應(yīng)用于鍛造鋁合金輪轂缺陷檢測(cè)的新型檢測(cè)方法。

超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，其實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。超聲檢測(cè)是使超聲波與鍛造輪轂相互作用，根據(jù)超聲波的反射、透射的散射行為，對(duì)輪轂進(jìn)行缺陷檢測(cè)，除了可以檢測(cè)輪轂表面缺陷，還可以檢測(cè)到深度為1mm～5mm的輪轂內(nèi)部缺陷。但是，超聲波檢測(cè)對(duì)輪轂內(nèi)部缺陷的精確定量、定性描述還需要進(jìn)一步完善。

4.4 渦流探傷檢測(cè)法

渦流檢測(cè)是一種針對(duì)輪轂表面或近表面的檢測(cè)方法。

渦流儀檢測(cè)輪轂表面時(shí)，如果檢測(cè)線圈有交變電流時(shí)，就會(huì)在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)檢測(cè)線圈沿著輪轂表面移動(dòng)，輪轂中就會(huì)感應(yīng)出高頻電流，此即渦流。利用電磁感應(yīng)原理，通過測(cè)定輪轂內(nèi)部感生出渦流的變化量（渦流的幅值、相位、流動(dòng)性等），從而來評(píng)定輪轂的缺陷。

以美國(guó)產(chǎn)US-454A 型手持渦流儀為例，該型號(hào)渦流儀可以配不同外形的檢測(cè)線圈，用于檢測(cè)鍛造輪轂的輪幅表面、胎圈座、中心孔等位置的表面及近表面缺陷。

同超聲波檢測(cè)一樣，渦流檢測(cè)不能定量及精確地給出缺陷詳細(xì)描述，只是一種近似的對(duì)比行為。在定量檢測(cè)方面，渦流檢測(cè)方法需要進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

鍛造鋁合金輪轂一方面具有其產(chǎn)品優(yōu)越性，另一方面，由于工藝不成熟等原因易產(chǎn)生缺陷。分析了鍛造鋁合金輪轂常見的缺陷種類及常用的檢測(cè)方法。對(duì)鍛造鋁輪轂的工藝改進(jìn)及檢測(cè)方法創(chuàng)新有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

[1]張宏偉，呂新宇，武紅林.鋁合金鍛造生產(chǎn)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011.

[2]呂 炎.鍛件缺陷分析與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]劉貴民，馬麗麗.無損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.