A356.2低壓鑄造鋁合金車輪中Si偏析對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

王 貴，薛喜偉

（中信戴卡股份有限公司， 秦皇島 066011）

A356.2低壓鑄造鋁合金車輪中Si偏析對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

王 貴，薛喜偉

（中信戴卡股份有限公司， 秦皇島 066011）

A356.2低壓鑄造鋁合金車輪通常會存在化學(xué)成分偏析的情況，通過對缺陷樣件化學(xué)成分、金相組織等研究分析，發(fā)現(xiàn)存在偏析問題的樣件化學(xué)成分、晶粒尺寸、產(chǎn)品外觀樣貌均存在異常。鑄造鋁合金車輪的成分偏析主要就是Si元素偏析，所以在鋁合金車輪低壓鑄造過程中，合理的低壓鑄造工藝設(shè)計是解決其化學(xué)成分偏析、提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量的最有效途徑之一。

A356.2低壓鑄造鋁合金；鋁合金車輪；Si成分偏析

0 前言

國內(nèi)目前生產(chǎn)鋁合金車輪廠近200家，年產(chǎn)能達(dá)到1.8億只/年，每年還仍有老企業(yè)擴(kuò)建和新企業(yè)建成。從產(chǎn)量上來看，中國大陸儼然成為世界鋁合金車輪生產(chǎn)集中地。鋁合金輪轂主要有六種生產(chǎn)工藝，分別是低壓鑄造、重力鑄造、差壓鑄造、高壓鑄造等，而低壓鑄造是當(dāng)前中國大陸鋁合金車輪制造企業(yè)的主打工藝，90%的企業(yè)采用該生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品主要銷往OEM和海外零售市場。低壓鑄造工藝的普遍使用主要基于其生產(chǎn)設(shè)備造價適中、生產(chǎn)效率高、材料利用率高。鋁合金車輪主要成分為Al-Si合金系，一般Si含量為4%～22%。Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能，經(jīng)過變質(zhì)處理和熱處理之后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等可加工切削性能，是鑄造鋁合金中品種最多，用途最廣的合金系[1]。

低壓鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)，主要由于合金液是在可控的氣壓下自下而上的充型，能有效地控制上升速度，保證其充型平穩(wěn)，因此，避免了合金液充型過程中的翻騰、沖擊、飛濺現(xiàn)象，從而減少甚至消除鑄件中的氧化夾渣、氣孔、等鑄造缺陷的產(chǎn)生。另外，因為合金液是在壓力下結(jié)晶和凝固，這不僅提高了鑄件組織的致密性及力學(xué)性能，并可大大減小甚至完全消除冒口，從而大幅提高金屬液的利用率[2]。當(dāng)前我們公司生產(chǎn)低壓鑄造鋁合金車輪在材料檢查過程中極易出現(xiàn)Si偏析現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況下會影響到鋁合金輪轂的使用性能。在國際汽車輪轂業(yè)競爭日益激勵的今天，客戶對汽車鋁合金輪轂的技術(shù)水平和安全性能的要求不斷前提，降低鋁合金輪轂Si偏析現(xiàn)象滿足客戶需求已經(jīng)刻不容緩[3]。

1 問題的提出

車輪在客戶材料檢測過程中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品輪輻外觀質(zhì)量有缺陷，被客戶判定不合格拒絕接收，需要整改（見圖1橢圓虛線內(nèi)外觀）。

圖1 A356.2低壓鑄造鋁合金車輪輪輻外觀不合格

2 檢測分析

將輪輻外觀不合格部位剖開進(jìn)行宏觀觀察、成分檢測、力學(xué)性能檢測，放大100倍和200倍觀察其金相組織。

2.1 宏觀觀察結(jié)果

將輪輻外觀不合格部位剖開進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)其斷口上未見異常，無明顯縮松等鑄造缺陷。

2.2 成分和力學(xué)性能檢測

輪輻合金的化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1和表2。從表1中可知，該部位Si含量偏低，說明該部位存在Si成分偏析現(xiàn)象。因為化學(xué)成分檢測結(jié)果只是體現(xiàn)數(shù)據(jù)上的問題反映，還需要金相等其它檢測方式來驗證偏析情況，以確定外觀缺陷部位是否存在Si偏析現(xiàn)象。

表1 A356.2鑄造鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）

表2 外輪緣的力學(xué)性能

由2表可見，產(chǎn)品經(jīng)T6熱處理后輪輻力學(xué)性能合格。

2.4 輪輻的金相組織

輪輻的金相組織觀察結(jié)果示于圖3。

圖3 輪輻的金相組織

從圖3金相圖片分析發(fā)現(xiàn)，外觀缺陷部位存在因Si聚集而產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象，而根據(jù)我們的經(jīng)驗，Si聚集產(chǎn)生的偏析的原因與該位置對鑄造模具施加的冷卻強(qiáng)度弱、鑄件冷卻速率相對緩慢有關(guān)。造成Si聚集產(chǎn)生偏析，解決該問題最直接有效的辦法是對偏析點(diǎn)增加冷卻強(qiáng)度。我們鑄造工藝技術(shù)團(tuán)隊也是不斷通過日常的技術(shù)改進(jìn)與實(shí)踐來驗證這一觀點(diǎn)。

3 技術(shù)改進(jìn)與實(shí)踐

起初我們鑄造技術(shù)團(tuán)隊對產(chǎn)品外觀出現(xiàn)該缺陷認(rèn)為是產(chǎn)品表面的機(jī)械油污或者其它類的表面缺陷，通過一系列材料實(shí)驗分析，我們推翻了該結(jié)論，認(rèn)為對鑄件的冷卻載體－鑄造模具進(jìn)行修改并優(yōu)化鑄造工藝，便可取得良好的成效和結(jié)果。

3.1 鑄造模具局部冷卻設(shè)計

鑄造模具是車輪鑄件毛坯的冷卻載體，根據(jù)外觀缺陷樣件的位置，我們對鑄造模具對應(yīng)位置重新設(shè)計修改，修改前與后的設(shè)計圖對比見圖4。

圖4 鑄造模風(fēng)孔設(shè)計

由圖4（a）和（b）對比可以看出，鑄造模具修改之后在產(chǎn)品外觀易出缺陷部位進(jìn)行了兩處更改，一是設(shè)計了局部強(qiáng)冷材料結(jié)構(gòu)，二是在強(qiáng)冷材料處增加了冷卻風(fēng)孔。在模具冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻方式修改前提下，鑄造工藝也做了調(diào)整，希望在提高冷卻速率的前提下，最大限度改善材料組織Si偏析聚集嚴(yán)重情況。

3.2 鑄造模具溫度檢測

使用遠(yuǎn)紅外熱成像儀拍攝鑄造模具在線溫度，通過檢測數(shù)據(jù)可以看出，修改之后鑄造模的冷卻強(qiáng)度增大，本次測試產(chǎn)品外觀易出現(xiàn)缺陷部位的溫度較修改前下降了近30℃以上。圖5所示即為改進(jìn)前后模具溫度對比。

圖5 模具在線溫度

3.3 改進(jìn)后缺陷部位化學(xué)成分分析

取改進(jìn)后的樣件進(jìn)行化學(xué)成分分析，我們發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)后缺陷部位材料金相組織Si的成分為6.85%（見表2），成分處于比較理想狀態(tài)，符合標(biāo)準(zhǔn)合格范圍要求。

表3 改進(jìn)后的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

3.4 改進(jìn)后缺陷部位金相組織分析

如圖6所示，改進(jìn)后的顯微組織化學(xué)成分偏析較圖3有明顯改善：初生α-Al形態(tài)發(fā)生根本性變化，板條狀的枝晶狀態(tài)已經(jīng)看不到了，呈現(xiàn)出來的形狀基本為相似的粒狀初生α-Al，晶粒組織均勻，細(xì)化狀態(tài)明顯，Si相圓整度高。

圖6 輪輻放大200倍金相圖片

4 分析討論

對輪輻外觀不合格部位取樣分析，經(jīng)放大100倍與200倍產(chǎn)品熱處理后的組織為低于B級的非正常變質(zhì)，共晶硅邊角不夠圓滑，呈聚集狀、長桿狀分布，個別有大晶塊初結(jié)晶，金相組織不合格。低壓鑄造生產(chǎn)鋁合金車輪過程中，由于冷卻速率較慢，Si偏析嚴(yán)重，分布也不均勻，尤其是當(dāng)Si含量較高時，初生Si非常粗大，呈板條狀或多角狀等不規(guī)則形狀，共晶Si呈現(xiàn)長針狀，這些形態(tài)的Si將嚴(yán)重割裂基體的連續(xù)性，很容易在Si相的尖端和棱角處引起應(yīng)力集中，易發(fā)生斷裂，惡化合金性能[4]。消除低壓鑄造鋁合金車輪宏觀化學(xué)成分偏析的措施無非從以下幾點(diǎn)考慮：（1）保證合金成分，將凝固過程中合金液體的密度差別減到最小。因為合金液的密度差是促進(jìn)合金流動的因素之一；（2）適當(dāng)提高鑄件的高度。因為液體靜壓頭愈大，流動會愈加劇烈；（3）加入孕育劑細(xì)化枝晶組織，使流動阻力增加，從而減小流動速度；（4）在凝固開始階段，用加速液體對流的辦法，可以細(xì)化晶粒，但在凝固過程中，應(yīng)該使液體的對流停止；（5）加大冷卻速度，縮短固－液兩相區(qū)的凝固時間。澆鑄溫度太高，澆鑄速度太快，均會延緩鑄件冷卻，從而使宏觀偏析加劇[5]。

5 結(jié)論

（1）輪輻外觀的不合格是由于材料本身Si化學(xué)成分偏析造成，產(chǎn)品正面精車后，材料偏析形成的特殊紋理裸露在產(chǎn)品表面，影響車輪本身的美觀性。

（2）減少或者消除鋁合金車輪成分偏析最有效的途徑是哪里偏析就在哪里施加冷卻。

（3）針對鑄造模具進(jìn)行改良：在易產(chǎn)生偏析部位適當(dāng)增加特殊冷卻材料，并在強(qiáng)冷材料處增加冷卻風(fēng)孔，有效地解決了Si偏析問題。

[1]田榮璋.鑄造鋁合金[M].長沙，中南大學(xué)出版社2006：58-59

[2] 熊星之.大型鋁合金缸蓋高質(zhì)量無冒口低壓鑄造技術(shù)[J].特種鑄造及有色合金，2012(12)：330-331

[3]王貴，周鵬，陳學(xué)武.低壓鑄造鋁合金輪轂Si偏析的研究[J]．鑄造工程，2010，34(4)：24-26

[4]袁崇勝，楊剛，等.降低Al-Si-Mg鑄造鋁合金Si偏析的措施[J].有色金屬（冶煉部分），2006（2）：46-47

[5]胡漢起.金屬凝固原理[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2012：220-221

國內(nèi)首條鋁錠在線激光二維碼標(biāo)識系統(tǒng)生產(chǎn)線

中鋁連城以智能鑄造為切入點(diǎn)，與蘭州理工大學(xué)積極探索電解鋁行業(yè)智能制造技術(shù)，聯(lián)合開發(fā)投產(chǎn)了鋁錠在線激光二維碼標(biāo)識管理信息系統(tǒng)，將激光技術(shù)應(yīng)用于鋁錠標(biāo)識，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了鋁錠在線計量、合格證標(biāo)簽打印的無人化操作，實(shí)現(xiàn)了從鋁錠生產(chǎn)、出入庫到客戶網(wǎng)上查詢質(zhì)量信息的激光二維碼全流程管理。該系統(tǒng)對原有流程進(jìn)行優(yōu)化，使用PDA掃碼進(jìn)行質(zhì)量檢查確認(rèn)、出入庫操作，在鑄造生產(chǎn)線上直接將標(biāo)簽標(biāo)刻于鋁錠表面，實(shí)現(xiàn)了下線即入庫的工藝流程，提高了鋁錠出入庫效率，減少了中間人為參與環(huán)節(jié)和倒運(yùn)環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。

中鋁鄭州研究院研發(fā)電解鋁用防滲料

鄭州研究院技術(shù)研發(fā)組經(jīng)過對8個配方(化學(xué)成分)、15個粒度配比以及5種添加劑含量分別對防滲性能、導(dǎo)熱系數(shù)、搗實(shí)密度等進(jìn)行了1800組的正交實(shí)驗，通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)及各影響因素分析，形成了研究院獨(dú)有的電解槽用防滲料配方。使其不但能抵抗冰晶石電解質(zhì)的侵蝕，具有足夠的耐火度、良好的體積穩(wěn)定性和保溫性能，而且原料資源豐富、價格相對低廉。用戶使用反饋和科學(xué)檢測表明，抗電解質(zhì)滲透能力比原市場防滲料產(chǎn)品提升4倍以上。不僅解決了電解鋁用防滲料的短板問題，避免了因防滲料質(zhì)量造成的巨大隱形經(jīng)濟(jì)損失，而且創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策將主導(dǎo)鋁價

國家環(huán)保及去產(chǎn)能政策與現(xiàn)貨層面的矛盾愈發(fā)激烈，鋁后市何去何從？通過分析國家政策，以及鋁基本面情況，認(rèn)為今年國內(nèi)鋁價將在矛盾碰撞中振蕩前行。供應(yīng)過剩最終使得2015年鋁價大跌，市場倒逼企業(yè)自發(fā)減產(chǎn)。隨著2016年鋁價大幅上漲，利潤修復(fù)使得鋁企加快投產(chǎn)，若不加以限制，2017年國內(nèi)鋁運(yùn)行產(chǎn)能將達(dá)到39270kg，供應(yīng)愈發(fā)過剩。另外，今年中央環(huán)境保護(hù)督查今年將首次覆蓋全國。隨著環(huán)保督查不斷深入，鋁企業(yè)對環(huán)保成本將加大，有助于加快淘汰落后產(chǎn)能。自年初以來，國內(nèi)外鋁價的現(xiàn)狀是倫鋁庫存減少，國內(nèi)供應(yīng)過剩。境外倫鋁在庫存減少及新投產(chǎn)有限的影響下表現(xiàn)強(qiáng)勢，而國內(nèi)鋁價則在供應(yīng)過剩的影響下走勢表現(xiàn)較為糾結(jié)。隨著行業(yè)利潤改善，預(yù)計電解鋁運(yùn)行產(chǎn)能不斷攀升，而消費(fèi)難以保持去年的高增長水平。總體來看，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策將成為影響鋁價波動的主要因素，建議鋁價短多長空，謹(jǐn)慎前行。

Effect of Chemical Composition Segregation on Product Quality of Low Pressure Casting A356.2Aluminum Alloy Wheel

WANG Gui，XUE Xi-wei，
(Citi Dicastal Co.Ltd，Qinhuangdao 066011，China)

There is segregation of chemical composition in low pressure casting A356.2 aluminum alloy wheel.Through the analysis of chemical composition and microstructure research for the defect sample，it was found that chemical composition，grain size and appearance of the product appearance of segregated sample were abnormal.The composition segregation of aluminum alloy wheel casting is mainly Si element segregation，so during low pressure die casting of aluminum alloy wheel，reasonable design of the lowpressure casting process are the most effective ways to solve the chemical composition segregation and to improve the appearance.

low pressure casting A356.2 aluminum alloy;aluminum alloy wheel;Si composition segregation

TG292

A

1005-4898(2017)02-0020-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.04

王貴（1975-），男，遼寧大連人，工程師，主要研究方向為鋁合金車輪鑄造工藝。

2016－10－30