鋁合金輪轂低壓鑄造的熱處理工藝及其性能分析

李 莎

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)的重要材料，兼具質量輕、成形性好等多重特點，應用于汽車工業(yè)中可以達到降低車輛自重、優(yōu)化操作性等效果[1-3]。鋁合金輪轂則明顯提升了行車舒適性，同時也與美觀、省油的需求相符合，成為轎車的主要應用形式?？v觀我國鋁合金輪轂發(fā)展狀況，現(xiàn)階段已經頗具規(guī)模，生產數(shù)量幾乎與頂尖國家齊平，但存在技術水平低下的問題[4-5]。當前，低壓鑄造是最為主要的生產方式，通過此技術生產的鋁合金輪轂站總量的40%，而為了確保低壓鑄造質量，對其展開工藝探討極具必要性。

1 A356.2鋁合金輪轂熱處理

1.1 固溶處理

輪轂逐漸溫度持續(xù)提升，最終達到固溶線以上的單相區(qū)域，在此環(huán)境下各溶質均發(fā)生變化，融入至α基體中，得到了單一固溶相。此過程中溫度控制尤為關鍵，不可大于共晶溫度，在不超出固溶溫度上限的前提之下，通過持續(xù)提升溫度的方式，原子擴散速度加快，溶質融入α的總量越多，過飽和析出也更為明顯。針對A1-Si-Mg實行T6處理后，可將粗大Mg2Si有效溶解，在達到逐漸均質化的同時還能夠改變共晶Si形態(tài)。通過合金固溶的方式，將改變共晶Si形貌，并影響到最終的強化效果[6]。固溶溫度需適當提升，應盡可能靠近共晶溫度但不可超過該值，否則會出現(xiàn)晶界溶解現(xiàn)象，隨之削弱力學性能?；诖?，關于固溶溫度的控制，以(538±5) ℃為宜。固溶時間不可過長，將此環(huán)節(jié)設定為5 h較為適宜。

1.2 淬 火

Al-Si-Mg鋁合金在經過固溶處理后，將所得鑄件轉移至水中淬火，此舉主要考慮的是冷卻質量，具體體現(xiàn)在Mg2Si平衡相的析出量這一層面。通過淬火的方式，Mg2Si會留在固溶體內，使其在低溫環(huán)境下獲得Mg2Si固溶體。考慮到Mg2Si析出量控制要求，應盡可能提升冷卻速率，否則不利于強化作用，且基體過飽和度隨之下降，最終人工時效析出硬化效果欠佳?；诖耍诖慊疬^程中需注重如下兩點：①快速轉移，需要在最短的時間內將鑄件從爐中轉移到水中，縮短在空氣中的暴露時間；②水溫低，盡可能提升冷卻速率，在此環(huán)境下使得Mg2Si能夠有效留在固溶體內，確保鑄件強度。伴隨淬火條件的改變，A356.2合金的性能也將發(fā)生變化，影響機制為：淬火溫度增加時，鑄件在伸長率與抗拉強度兩項指標上都呈現(xiàn)出下降的趨勢，換言之，若淬火速度較快，此時鑄件伸長率與抗拉強度均有所提升?？紤]到Mg2Si均勻分布的要求，當鑄件出爐后，需盡快淬火，使其在30 s內結束，要求水溫維持在60～80 ℃。

1.3 時效處理

基于對時效處理溫度的劃分，可以得到兩種方式，即自然時效與人工時效。具體處理機制為，伴隨時效時間的延長，使得合金內部組織出現(xiàn)明顯變化，力學性能也將發(fā)生改變。當硬度或強度出現(xiàn)明顯提升現(xiàn)象后，便可稱為時效硬化。不同性能要求下，對應的最佳處理溫度與時間不盡相同。

1.3.1 自然時效

伴隨自然時效時間的延長，材料的硬度與屈服強度有所下降，伸長率與抗拉強度提升，這一規(guī)律在Mg含量較高的合金中體現(xiàn)的更為明顯，且主要發(fā)生于前3 h。

1.3.2 人工時效

Si離子形態(tài)并不會對人工時效處理效果帶來影響，事實上，人工時效僅指的是將飽和固體從溶質中析出的過程。從A1-Si-Mg合金來看，初始析出相指的是β-Mg2Si。析出性能受多方面因素影響，以溫度與時間尤為關鍵。伴隨時效溫度的提升，無論是在抗拉強度與屈服強度上都出現(xiàn)不同程度的提升，但伸長率隨之下降。大量研究均揭示了鋁合金析出特性，除了過渡相θ和β外，還伴隨Si質點析出，若時間較長，Si質點更為明顯，在其作用下鋁合金的過時效更為顯著。基于多級人工時效的方式，將改變A356.2鋁合性能，使其在抗拉強度、屈服強度以及硬度三項指標上都出現(xiàn)提升趨勢，同時伸長率有所下降。具體而言，180 ℃×6 h時效下，強度最佳；若要獲得最佳伸長率，其基本前提是140 ℃×4 h時效?；诖?，實際處理中較為適宜的時效溫度為(138±5) ℃。

2 試驗過程

鋁合金輪轂低壓鑄造過程中，T4熱處理會對最終的處理效果帶來直接影響。對此，選擇美國通用產品展開試驗。共采取如下幾種方式：T6(538 ℃×5 h固溶+145 ℃×3 h時效)熱處理、T4(538 ℃×5 h固溶+24 h自然時效)熱處理、T4(538 ℃×5 h固溶+48 h自然時效)熱處理。對輪輻、輪緣與輪心三個區(qū)域展開力學性能測試；此后，對輪轂采取噴涂措施，再次從上述三個部分取樣，展開力學性能檢測，對所得結果加以分析。

3 試驗數(shù)據

整理后，得到各處理方式下的試驗數(shù)據，具體內容如表1所示。

表1 試驗數(shù)據

4 數(shù)據比較分析及結論

(1)相較于T6熱處理而言，通過T4熱處理的方式屈服強度、抗拉強度與硬度都表現(xiàn)出不同的下降趨勢，伸長率提升70%～100%。相較于48 h自然時效，通過24 h自然時效的方式處理后，在屈服強度與抗拉強度上與之大體相同，但硬度更高、伸長率相對較低。

(2)試驗中，經T4熱處理輔以24 h自然時效的方式，在此基礎上噴涂，能夠顯著提升力學性能，但這一過程中對自然時效提出較高要求，需精確控制時間，以免在后續(xù)機械加工中出現(xiàn)硬度過低的現(xiàn)象。

5 鋁錠內部品質及熔煉工藝

從A356.2鋁錠內部形態(tài)來看，遺傳效應會直接影響鋁錠重熔效果，最終呈現(xiàn)出的鋁液質量不盡相同。在鋁液重熔過程中，通過增設變質劑的方式能夠優(yōu)化Si形貌并達到細化晶粒的效果，但在重熔過程中難以對Fe元素含量造成影響。因此，經鑄造后，F(xiàn)e元素將是材料力學性能的主導因素，其主要呈長針狀與板條狀，具體如圖1所示。

圖1 Fe的形貌

漏氣將出現(xiàn)壓力損失現(xiàn)象，從數(shù)字組合控制閥的運行性能來看，雖然該設備的反應速度較快，但采用的是離散跳躍式增壓方式，因此不利于鋁液充型的穩(wěn)定性，且會對保壓結晶鋁液補縮造成影響，進而表現(xiàn)出車輪縮松等問題。比例閥的特點在于實現(xiàn)連續(xù)增壓，伴隨有輕微的滯后性，對保溫爐密封性能提出較高要求。在有效維護保溫爐的前提下，可提升比例閥的運行性能，達到鋁液充型、保壓平穩(wěn)的效果，經鑄造處理后的材料質量更為良好。

保溫爐的密閉性尤為關鍵，是決定鑄造壓力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，同時也會對鋁液氧化程度帶來影響。若保溫爐缺乏優(yōu)良的密閉性，不利于保壓階段的穩(wěn)定性，需通過數(shù)字組合閥的方式以達到平衡壓力的效果，此舉將提升新進空氣量，提供了更多氧氣，鋁液的氧化程度有所提升；此外，數(shù)字組合閥多次開啟后，也會對鑄造壓力的穩(wěn)定性造成影響，使得車輪的力學性能發(fā)生變化。

5.1 模具結構與鑄造工藝的匹配

以鑄造裝備完善、鋁液質量穩(wěn)定為基本前提，在針對鋁合金低壓鑄造過程中，最為關鍵的便是熱量傳遞與分配，這是決定鑄造質量的關鍵因素。鑄造過程中，模具是熱量的載體，而選擇合適的鑄造工藝則會提升模具熱量的分布均勻性，因此二者相綜合將直接對鑄件力學性能帶來影響。

鋁合金車輪低壓鑄造，其基本流程為車輪輪輞處自上而下、輪輻處由外向內，隨之提升凝固質量，在此基礎上依靠中心澆口補縮?；诖?，模具需要形成溫度梯度，在模具自身蓄熱基礎上，加之鑄造工藝冷卻的方式，便可產生溫度梯度。但考慮到車輪結構的復雜性，在處理過程中鑄件熱節(jié)處的熱量散發(fā)效果欠佳，使得模具出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象，并產生缺陷。

此外，通過對熱節(jié)處的強冷處理，使得與熱節(jié)銜接區(qū)出現(xiàn)明顯的過冷現(xiàn)象，給通道造成阻礙，車輪缺陷較為明顯。對此，設計模具時需充分考慮多方面因素，達到熱容、熱阻與冷卻通道有效配合的效果，使得車輪能夠在短時間內完全凝固。

5.2 熱處理工藝

低壓鑄造車輪生產中，使用的是A356.2鋁合金，針對此材料采取熱處理。實際操作中，需充分考慮到淬火溫度、轉移時間、人工時效等因素，全面確保熱處理效果。伴隨固溶溫度的提升，加之在不同溫度下對應的保溫時間存在差異，使得Mg2Si強化相特性發(fā)生變化，過飽和程度不盡相同，并對鑄件性能帶來影響。淬火環(huán)節(jié)，若鑄件不發(fā)生明顯變形，需適當降低水溫，同時最大程度上縮短淬火轉移時間。人工時效溫度與保溫時長尤為關鍵，會直接作用于Mg2Si強化相，使其表現(xiàn)出不同的彌散析出程度?？傮w上，固溶升溫速度、保溫時長等多個因素均會對逐漸材料造成影響，均是關鍵的工藝要點。

6 結 語

低壓鑄造鋁合金車輪質量取決于所用材料的力學性能、鑄造工藝、配套設備等，需確保鑄工藝與模具的匹配性，合理控制熱處理參數(shù)，從各個細節(jié)出發(fā)，全面確保鋁合金車輪質量。