鍛造鋁合金輪轂缺陷及檢測方法的研究

孫愛軍，任 秋，呂金旗

（中信戴卡股份有限公司試驗中心，河北秦皇島066003）

1 鍛造鋁合金輪轂的優點

鍛造鋁合金輪轂的重量比鐵輪轂輕50%；強度比鐵輪轂增加4～5 倍；具有散熱快、圓度高、動平衡好、操縱性好、美觀等優點。尤其是近幾年來，隨著國際油價的上漲，美、歐、日等發達國家都在發展輕量化汽車，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

鋁合金因具有密度小、強度高、耐腐蝕、易加工、資源豐富等一系列優點，在現代工業中得到廣泛應用。

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組織變為鍛態組織，并在合適條件下，閉合內部孔隙，提高材料致密度。經鍛造后形成的金屬流線可提高零件的幾何尺寸質量。下面以6061 鍛造鋁合金為例[1]介紹鍛造鋁合金的特點。

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

（2）導熱性：由于鋁合金導熱性好、易于均勻熱透，加熱時內應力小，可進行快速加熱。

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

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

（5）流動性：鋁合金質地軟，外摩擦系數較大，導致其流動性較差，模鍛時難以成形。

3 鍛造鋁合金輪轂的生產工藝及主要缺陷成因

以6061 鍛造鋁合金輪轂生產為例，其生產工藝如圖1 所示。

圖1 鍛造鋁合金輪轂生產工藝

對于鍛造鋁合金輪轂，其組織纖維分布對抗疲勞極限和腐蝕性能都有影響。根據現場生產數據統計，這些缺陷往往發生在鍛造輪轂表層，發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缺陷，很容易成為應力集中處，在交變載荷作用下極易成為疲勞源，產生疲勞裂紋。

由于鋁合金本身的鍛造特性使得鋁合金在鍛造時容易出現以下幾種缺陷[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，使金屬流動軌跡過于復雜；沒有預制坯和預鍛，直接鍛造形狀非常復雜的鍛件；預制坯和預鍛模具設計不合理；鍛造時，操作失誤、潤滑不均、加壓速度太快，等。

根據多年的生產統計數據顯示，折疊缺陷多發生在調機生產階段。

（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生過燒。坯料過燒后，表面發暗，易有氣泡，而且再次鍛壓容易產生裂紋。

生產中，對于過燒坯料只可再回爐加熱一次，而且對過燒坯料要集中控制，不能與正常坯料混放；對過燒坯料產品要做詳細檢測,以防止缺陷產品流出。

（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域以及飛邊區附近，鍛鋁和硬鋁很容易產生粗大晶粒。

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

（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象，但未能發展至折疊那樣嚴重的程度。穿流和渦流明顯降低塑性指標、疲勞性能和抗腐蝕性能。

（6）粘模、起皮：鋁合金因質地軟、摩擦系數大，容易粘模，容易引起輪轂起皮，表面粗糙，嚴重時會因不能脫模而中斷生產。鍛造毛坯粘模缺陷的起因，一般認為是潤滑不足，或潤滑劑使用不當造成的。因為這種缺陷在生產中發生幾率較小，其控制方法還在繼續探索中。

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、起泡等為主要表現形式，其內部缺陷較少。

4 鍛造鋁合金輪轂缺陷的檢測方法

針對鍛造鋁合金輪轂主要缺陷集中在輪轂表面的特點，現場檢測主要方法有目測法、熒光滲透探傷檢測法、超聲波探傷檢測法，以及渦流探傷檢測法。

4.1 目測法

在生產中，因折疊而產生的較大裂紋，以及因坯料內部缺陷產生的較大裂紋，一般通過目測即可發現。通常這些大裂紋幾何長度會有30mm～50mm，尤其是鍛造生產線調機下線的最初產品，幾乎件件都會有折疊缺陷產品。隨著鍛造生產流水線與毛坯棒料、生產環境磨合一段時間后（10～30min），該缺陷產品會大幅減少。

通過目測及時發現缺陷產品，以避免鍛造毛坯進入成形工序是非常必要的檢測手段。生產中，有專業質檢人員對每件下線毛坯進行目測，避免廢品流轉。

4.2 熒光滲透探傷檢測法

鍛造輪轂經過機加工后，一般要經過熒光滲透檢測。

滲透檢測是一種以毛細作用原理為基礎的檢測技術，主要用于檢測金屬表面開口、裂紋等缺陷。檢測時，將溶有熒光染料的滲透液施加到零件表面，在毛細作用下，滲透液滲入到細小的表面開口缺陷中，通常可以顯示寬0.5μm、深10μm、長1mm 的細微裂紋。清除附著在輪轂表面的多余滲透液，經干燥后再噴涂顯像劑，缺陷中的滲透液在毛細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，即可檢測出缺陷的形貌和分布狀態[3]。

4.3 超聲波探傷檢測法

超聲波檢測是一種應用于鍛造鋁合金輪轂缺陷檢測的新型檢測方法。

超聲波是超聲振動在介質中的傳播，其實質是以波動形式在介質中傳播的機械振動。超聲檢測是使超聲波與鍛造輪轂相互作用，根據超聲波的反射、透射的散射行為，對輪轂進行缺陷檢測，除了可以檢測輪轂表面缺陷，還可以檢測到深度為1mm～5mm的輪轂內部缺陷。但是，超聲波檢測對輪轂內部缺陷的精確定量、定性描述還需要進一步完善。

4.4 渦流探傷檢測法

渦流檢測是一種針對輪轂表面或近表面的檢測方法。

渦流儀檢測輪轂表面時，如果檢測線圈有交變電流時，就會在線圈周圍產生交變磁場，當檢測線圈沿著輪轂表面移動，輪轂中就會感應出高頻電流，此即渦流。利用電磁感應原理，通過測定輪轂內部感生出渦流的變化量（渦流的幅值、相位、流動性等），從而來評定輪轂的缺陷。

以美國產US-454A 型手持渦流儀為例，該型號渦流儀可以配不同外形的檢測線圈，用于檢測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。

同超聲波檢測一樣，渦流檢測不能定量及精確地給出缺陷詳細描述，只是一種近似的對比行為。在定量檢測方面，渦流檢測方法需要進一步完善。

5 結論

鍛造鋁合金輪轂一方面具有其產品優越性，另一方面，由于工藝不成熟等原因易產生缺陷。分析了鍛造鋁合金輪轂常見的缺陷種類及常用的檢測方法。對鍛造鋁輪轂的工藝改進及檢測方法創新有一定的指導價值。

[1]張宏偉，呂新宇，武紅林.鋁合金鍛造生產[M].長沙：中南大學出版社，2011.

[2]呂 炎.鍛件缺陷分析與對策[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3]劉貴民，馬麗麗.無損檢測技術[M].北京：國防工業出版社，2010.