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(dāng)中最常見(jiàn)的缺陷。通過(guò)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(guò)設(shè)置合理的冷卻風(fēng)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(méi)有太追求良品率、輕量化，但這幾年鋁合金輪轂行業(yè)已進(jìn)入了微利時(shí)代，競(jìng)爭(zhēng)也進(jìn)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(duì)重力鑄造來(lái)說(shuō)優(yōu)點(diǎn)主要是：鑄件是在壓力下結(jié)晶，內(nèi)部組織比較致密， 機(jī)械性能好;金屬材料利用率相對(duì)較高。其實(shí)，這也只是和重力鑄造相比。低壓鑄造本身也是有很多問(wèn)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(guò)程類似于下面的過(guò)程，雖然也屬于順序凝固的范疇，但因在凝固過(guò)程中輪輻中間部位出現(xiàn)中斷，導(dǎo)致輪輻R角部位不能得到及時(shí)的補(bǔ)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(guò)程是在這個(gè)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(yùn)性變差，而且補(bǔ)縮是在枝晶間的縫隙內(nèi)進(jìn)行的，溫度越低，枝晶越大，縫隙越小，補(bǔ)縮能力越差。在A356.2這種固液結(jié)合的狀態(tài)中，有一個(gè)臨界點(diǎn)，這個(gè)臨界點(diǎn)值的大小和補(bǔ)縮能力有關(guān)，低壓鑄造、高壓鑄造及重力鑄造這個(gè)臨界點(diǎn)是不同的，對(duì)于低壓鑄造來(lái)說(shuō)，理論上一般取50%，當(dāng)液相分?jǐn)?shù)少于這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，A356.2的宏觀補(bǔ)縮通道已經(jīng)基本關(guān)閉，無(wú)論加壓多少，周期加長(zhǎng)多久，對(duì)補(bǔ)縮已經(jīng)基本不起作用了。這個(gè)液態(tài)臨界分?jǐn)?shù)是產(chǎn)生縮松的本質(zhì)，只有液態(tài)分?jǐn)?shù)高于這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)才有補(bǔ)縮通道的存在。

對(duì)于低壓鑄造鋁合金輪轂來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是相對(duì)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(bǔ)縮時(shí)間是非常有限的，大概只有60-100S，若想各部位補(bǔ)縮充分，時(shí)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(wú)論是哪一種，都是為了提升輪輻部位的溫度，延長(zhǎng)補(bǔ)縮時(shí)間，一般情況下，通過(guò)這些措施能延長(zhǎng)補(bǔ)縮時(shí)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(bǔ)縮。

對(duì)低壓鑄造來(lái)說(shuō)，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(chǎng)，間接作用在鑄件上加速冷卻部位的凝固速度。對(duì)于鋁合金鑄造來(lái)說(shuō)，冷卻的目的為：

①加速熱節(jié)點(diǎn)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(jī)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(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)是有區(qū)別的，一旦錯(cuò)過(guò)了最佳時(shí)機(jī)，冷卻效果將大打折扣。

①對(duì)于解決縮松問(wèn)題的冷卻，在其前端還存在補(bǔ)縮通道時(shí)冷卻時(shí)間越長(zhǎng)、強(qiáng)度越大，對(duì)解決縮松問(wèn)題效;

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

③對(duì)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(bǔ)縮的前提下盡早開(kāi)啟。

圖2為鋁合金輪轂鑄件主要冷卻通道分布圖，各個(gè)冷卻通道開(kāi)關(guān)時(shí)間和冷卻強(qiáng)度不僅要考慮其冷卻目的，還要考慮此風(fēng)道對(duì)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(diǎn)，如何改善此部位的縮松問(wèn)題是輪轂行業(yè)一直以來(lái)的難點(diǎn)，這就顯得冷卻設(shè)計(jì)及工藝配置尤為重要。通過(guò)前面的分析可以看出，輪輻部位對(duì)R角的補(bǔ)縮時(shí)間非常短，我們可以通過(guò)鑄造模擬分析軟件分析好后再配置冷卻位置、冷卻時(shí)間及冷卻的開(kāi)關(guān)時(shí)間。當(dāng)然，工藝配置時(shí)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(jī)械性能，無(wú)論是延伸率、還是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都會(huì)下降，影響輪轂的整體強(qiáng)度。對(duì)于提高輪輻性能的冷卻，只有在其結(jié)晶的過(guò)程中的冷卻才有效，輪輻凝固完成后的冷卻對(duì)提高輪輻機(jī)械性能就沒(méi)有什么影響了，只會(huì)阻礙R角部位的補(bǔ)縮，是不可取的。如圖3是模擬分析中兩點(diǎn)的溫度曲線。

以上已經(jīng)提到了低壓鑄造的液相分?jǐn)?shù)有一個(gè)臨界點(diǎn)50%，R角部位補(bǔ)縮已經(jīng)在液相分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)完成，當(dāng)液相分?jǐn)?shù)小于50%（即上表中凝固50-100%之間）時(shí)，可以施加冷卻（即輪輻A點(diǎn)的最佳冷卻設(shè)置時(shí)間為90-185S，輪輻B點(diǎn)的最佳冷卻設(shè)置時(shí)間為110-240S），便于提升輪輻機(jī)械性能。

從冷卻分布圖及模擬分析來(lái)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(qiáng)度及時(shí)間受鑄造周期的影響，冷卻要持續(xù)到開(kāi)模時(shí)再關(guān)閉，但具體開(kāi)啟時(shí)間要根據(jù)不同的輪型及X-ray的檢測(cè)結(jié)果來(lái)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(wú)論是通過(guò)鑄造模擬分析軟件提前預(yù)防，還是生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中通過(guò)工藝調(diào)整來(lái)控制，只要我們對(duì)各部位產(chǎn)生縮松的原因分析到位了，冷卻時(shí)機(jī)把控了，就一定能做到事半功倍。

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