低壓鑄造鋁合金車輪缺陷及對策

梁青良，張伯洪，宋躍茹，孫瑤龍

（1.浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司，浙江紹興 312500；2.新昌縣弘悅機械有限公司，浙江紹興 312500）

1 鋁合金車輪的發展及低壓鑄造

自改革開放以后，我國對低壓鑄件的需求量日益增長，大量鋁合金鑄造廠家不斷繁榮。自21世紀以后，我國鋁合金車輪產業發展速度不斷提升，但是相對于國外來說，發展還存在較大差距，究其主要原因，大都由于生產設備落后，生產工藝不足，所以所生產的鋁合金鑄件的不合格程度相對較高。由于我國鋁合金鑄造技術發展較晚，新中國成立后，對鋁合金鑄造工業的發展重視度才不斷提升，自1980年以后，鋁合金車輪才得以發展鑄造，1990年以后，其發展步入跨越式階段，鋁合金車輪企業不斷繁榮，對鋁合金車輪鑄造缺陷的研究也不斷增多[1]。

當前，人們對能源利用率提升的需求不斷增長，所以縮小汽車的污染已經成為人們追求的主要目標，其屬于汽車制造商材料選擇過程中必然考量的重點問題，受到多種因素的影響，汽車減重出現在人們的視野之中，為對顧客需求進行滿足，若是汽車的各項性能無法被滿足的情況下，車身的自重量將不斷提升，所以輕質材料的應用重要性日益凸顯，依靠減重形式，促進燃油經濟效益的增長。鋁合金的強度較高，輕便性較強，且耐腐蝕，已經成為輕質材料之中的首選材料。在金屬鑄造不斷發展的基礎上，積累生產經驗，形成了鋁合金車輪低壓鑄造技術。其主要是在密閉的容器之中熔化金屬物質，依靠液面壓縮性的惰性氣體或者空氣壓力，對金屬液壓力進行縮減，依靠升液管將其向型腔之中壓入，以確保其能夠受到壓力影響，在壓力束縛作用下不斷凝固，進而對液面的壓力進行縮減，以確保升液管之中的液相金屬液可向熔爐之中回流。低壓鑄造技術所生產的產品逐漸具有較高的質量，結構緊密性較強，并可最大程度縮減制造成本，所以已經在國外大量企業之中廣泛應用，其中高達90%的汽車車輪均應用低壓鑄造形式制作[2]。在鋁合金車輪制作中，應用低壓鑄造技術，可促進產品性價比的提升，增強其質量。

2 鋁合金車輪低壓鑄造

2.1 輪轂設計

輪轂設計涵蓋輪轂自身結構及制作工藝設計兩部分內容，設計前，必須精準地計算結構強度，其會對車輪應用過程中可能出現的問題提前發現，并依靠對應工藝實現優化目的，降低問題的發生率。當前，依靠計算機軟件進行部分工作設計，使得輪轂設計便捷化程度不斷提升。無論任何類型的輪轂設計，均可以提前估算，其對于低壓鑄造工藝的應用來說，積極效用顯著。設計輪轂模具也屬于最關鍵的設計步驟，若是設計中出現問題，將直接降低工廠所制造的輪轂產品品質，所以，生產車輪廠家正式進行模具生產制造前，必須評審模具設計，以確保投入生產的產品特征，是最優設計方案。設計人員及相關專家必須對應用的材料和設備進行詳細把控，同時，把控模具設計的關鍵，以奠定良好產品鑄造的基礎，降低鋁合金車輪低壓鑄造中問題的發生率[3]。

2.2 低壓鑄造流程

首先，鑄造前做好充足的準備，對模具進行檢查，開展噴砂及涂料干預，并合理性地開展預熱干預。若是不認真對待，不僅會導致后續操作難度的提升，還會導致低壓鑄造缺陷的形成。在模具的檢查過程中，需要對模具的編號和側模進行檢查，觀察標識與參數表的一致性，分析其與計劃表的一致性。開展模具噴砂干預是對模具進行清理的主要方式，其可對模具表面的涂料及參雜物質進行去除。噴涂涂料指的是在模具內壁上進行特殊涂料的涂抹，降低鑄造過程中金屬材料損壞模具內壁問題的形成，降低后續脫模不順利的問題發生。模具處理干預前，預熱處理十分關鍵，其會導致涂料中所涵蓋的揮發性物質能夠充分揮發，確保模具尺寸正常，可生產正常的模具型號，確保尺寸正常，降低缺陷問題的形成[4]。

3 低壓鑄造鋁合金車輪的缺陷及處理措施

國內學者針對低壓鑄造缺陷開展了大量的研究，對消除裂紋、氣孔等缺陷的方式開展了重點分析。由于鋁合金車輪鑄造技術的要求相對較高，必須保障其可對各種要求進行滿足，比如旋轉平衡、幾何公差、表面拋光及氣密性等。鑄造缺陷作為鋁合金車輪鑄造技術研究中不可或缺的重要問題，對其開展研究，并進行改善和優化，效用將會十分顯著。

3.1 裂紋

裂紋缺陷會直接導致鋁合金車輪生產成本的提升，對鋁合金車輪生產產生影響，導致車輛安全受到嚴重威脅[5]。裂紋的產生主要由于低壓鑄造過程中的應力集中，所以必須科學地進行升液系統的設計。裂紋類型主要包括冷裂紋和熱裂紋兩種。冷裂紋的形成主要由于逐漸冷卻過程中的內部壓力值超過逐漸自身強度的極限值而形成，其一般情況下會在鑄件表面形成。熱裂紋主要在合金凝固過程中發生，其與固態收縮過程中所受到的阻礙存在密切的相關性，若收縮過程中未遇到阻礙，則不會產生熱裂紋，若是阻礙存在，將會受到應力效用，形成枝晶間的液體金屬薄膜凝固不全，導致熱裂紋的產生。其主要由于開裂速度較快，導致金屬液無法及時對開裂部位進行填滿，導致裂縫生成。升液系統為鑄件及升液管、保溫套等共同構成的，液態金屬由鍋中進入型腔的空間通道。若是升液管長度不足，將導致金屬液降溫幅度不夠問題，使得通道內會早期凝固，所以升液系統的設計必須對模具和設備等因素進行綜合考量，盡量對金屬液面及澆口在鍋中的距離進行縮短，促進保溫套直徑的增加，以促進保溫層厚度的提升。在進行材料選擇過程中，也需要選擇保溫性較好的材料，一般情況下以硅酸鋁纖維氈作為保溫材料。為降低升液管中過早凝固的問題，必須對升液管的直徑進行擴大，降低鑄件頂出過程中，升液管凝固而導致開裂問題的形成。除此以外，為避免裂紋的出現，還需要在設計過程中，確保圓角的合理性，降低尖角結構應力集中情況的形成，通過在截面設置在均勻結構，在低壓鑄造中，以車輪不出現缺陷為前提，提升模具溫度。此外，還可以對澆口套開展優化設計，相對于鐵澆口套來說，陶瓷澆口套具有更好的保溫性能，且整體結晶較好，不會沾鋁，具有較小的綜合能耗，可有效避免裂紋產生。

3.2 氣孔

氣孔屬于尺寸很小的孔洞，其直徑一般情況下在300μm 以下，氣孔形成的主要因素為液體鋁合金吸氫，由于氫的溶解度在凝固的環節中會不斷縮減，且其在凝固過程中的體積不斷縮小，凝固過程中晶體結構發生改變等。若是合金液之中氫的溶解度高于固態合金中的情況下，合金液會吸收周圍空氣之中的氫。在液相鋁合金之中，氫的溶解度會隨著溫度的提升而不斷增大，凝固過程中釋放一部分，若是氫的濃度或者氫分壓超過凝固區域壓力的情況下，將導致氫氣孔的形成。對低壓鑄造過程中，鋁合金車輪氣孔缺陷進行優化和控制的有效方式就是發展數學模型的發展，對形成過程進行模擬。早期模型主要進行局部溫度的預測，可用凝固范圍較小，并且只適用于含氫元素較少的合金。在實際生產環節之中，對分散氣孔位置及尺寸進行合理性的預測，尤其是復雜的工業系統之中，不僅包括局部凝固的條件，大面積的共晶體結構和尺寸大小及氣孔位置分布均存在密切關系。共晶包還會導致氣體孔體積分數的增加，導致氣孔等效平均孔隙的增大，所以必須預防大面積共晶體的形成。微孔屬于低壓鑄造技術中常見的缺陷，車輪中出現氣孔不可避免，其中出現的特別小的孔洞就是微孔，在這一行業中，出現微孔的原因十分復雜，所以，對車輪氣孔缺陷進行有效處理，在鋁合金低壓鑄造過程中，必須采取徹底去除氫的爐料，對排氣裝置進行優化設計，對充型環節的排氣能力進行優化。在鋁液充型的過程中，必須確保合金液層流動性的良好程度，開展有序充型，應更少的進行涂料發氣量的選擇。除此以外，為對氣孔進行控制，必須確保冷卻合金液溫度的合理性，需要確保壓力和時間的充分程度，確保科學合理的進車車輪結構的設計，以合理化的冷卻形式，保障系統凝固順序的正常化[6]。

3.3 氧化膜夾帶的處理

鋁和鋁合金在熔融情況下會迅速被氧化，在其接觸空氣的表面會形成一層氧化膜。在充型過程中，湍流過度將導致金屬夾帶部分氧化膜，導致低壓鑄造鋁合金車輪缺陷問題的形成，并且欠澆缺陷也與氧化膜存在密切的相關性，其還會對合金液的流動性產生不利影響，尤其是對充型環節的自由液面具有較大的影響。但是其缺陷的尺寸一般情況下均比較小，可見充型環節模具內部障礙物會導致金屬液局部表面湍流情況，也會導致金屬液回流的發生。通過對低壓鑄造鋁合金車輪順序充型過程開展模擬，發現在車輪澆口部位，輪輞部位和輪輻部位接觸位置，會產生熔融金屬液回流的現象，所以必須對金屬本身流動速度進行降低，還需要依靠設計形式進行澆口位置的防范，降低輪輻湍流問題的發生，必須在車輪模具之中停止的時間進行延長，通過過濾好合金液，防范充型液之中存在較多的氧化膜，以此對缺陷的發生進行有效控制。

4 低壓鑄造鋁合金車輪缺陷的預防措施

4.1 噴涂材料的選用

噴涂材料的選用是在車輪澆筑之前所開展的關鍵，噴涂材料的種類、應用量將對低壓鑄造過程產生嚴重影響，若是噴涂材料選擇不正確，將形成噴涂料脫落問題，導致噴涂顆粒雜質或者鑄件無法正常脫模等現象的發生，合理進行噴涂材料種類的選擇，合理的噴涂劑量十分關鍵，在噴涂材料選用過程中，必須不斷積累經驗，持續優化，進行最佳噴涂方式的選擇，以對鋁合金車輪缺陷問題開展有效的預防。

4.2 冷卻順序的科學把控

從澆鑄鑄件角度分析，冷卻順序對其影響十分關鍵，若是澆筑口部位冷卻的速度較快，將導致鑄件內部會在冷卻過程中因收縮，無法得到流動金屬液有效的補充。鑄件內部會形成孔洞缺陷或者沙眼缺陷，所以必須進行科學合理的把控。在對冷卻順序進行把控的過程中，不僅需要對模擬熱流情況進行關注，還需要不斷進行澆筑經驗的積累。

4.3 鑄件的正常脫模

鑄件脫模過程中，影響因素相對較多，常見原因之一是模具設計時，上下模拔模斜度不足。此外，最常見的因素還有，澆筑速度過快。要求在策劃金屬鋁合金車輪低壓鑄造項目過程中，必須多方進行嚴格審核，對相關因素進行充分考量，以預防缺陷問題的發生，確保鋁合金車輪鑄件成品能夠正常脫模。

5 結束語

綜上所述，低壓鑄造鋁合金車輪中，主要包括裂紋、氣孔及氧化膜夾雜等問題缺陷，只有重點對鋁合金車輪的鑄造缺陷進行研究，加強對缺陷的重視程度，合理采取措施進行缺陷控制，才可促進鋁合金車輪性能的優化，保障車輛駕駛安全性的提升。低壓鑄造在鋁合金車輪生產中的效用顯著，鑄造優勢突出，但是鑄造缺陷將直接影響車輪的正常應用，所以具體問題具體分析。噴涂材料合理選擇，科學地對冷卻順序進行把控，并正常脫模，以合理措施降低缺陷發生率，以確保鋁合金車輪質量更加輕便，散熱效用更加迅速，能耗更低，安全性更高，減震性更優。