A356.2低压铸造铝合金车轮中Si偏析对产品质量的影响

王 贵，薛喜伟

（中信戴卡股份有限公司， 秦皇岛 066011）

A356.2低压铸造铝合金车轮中Si偏析对产品质量的影响

王 贵，薛喜伟

（中信戴卡股份有限公司， 秦皇岛 066011）

A356.2低压铸造铝合金车轮通常会存在化学成分偏析的情况，通过对缺陷样件化学成分、金相组织等研究分析，发现存在偏析问题的样件化学成分、晶粒尺寸、产品外观样貌均存在异常。铸造铝合金车轮的成分偏析主要就是Si元素偏析，所以在铝合金车轮低压铸造过程中，合理的低压铸造工艺设计是解决其化学成分偏析、提高产品外观质量的最有效途径之一。

A356.2低压铸造铝合金；铝合金车轮；Si成分偏析

0 前言

国内目前生产铝合金车轮厂近200家，年产能达到1.8亿只/年，每年还仍有老企业扩建和新企业建成。从产量上来看，中国大陆俨然成为世界铝合金车轮生产集中地。铝合金轮毂主要有六种生产工艺，分别是低压铸造、重力铸造、差压铸造、高压铸造等，而低压铸造是当前中国大陆铝合金车轮制造企业的主打工艺，90%的企业采用该生产工艺，产品主要销往OEM和海外零售市场。低压铸造工艺的普遍使用主要基于其生产设备造价适中、生产效率高、材料利用率高。铝合金车轮主要成分为Al-Si合金系，一般Si含量为4%～22%。Al-Si合金具有优良的铸造性能，经过变质处理和热处理之后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和中等可加工切削性能，是铸造铝合金中品种最多，用途最广的合金系[1]。

低压铸造工艺的优点，主要由于合金液是在可控的气压下自下而上的充型，能有效地控制上升速度，保证其充型平稳，因此，避免了合金液充型过程中的翻腾、冲击、飞溅现象，从而减少甚至消除铸件中的氧化夹渣、气孔、等铸造缺陷的产生。另外，因为合金液是在压力下结晶和凝固，这不仅提高了铸件组织的致密性及力学性能，并可大大减小甚至完全消除冒口，从而大幅提高金属液的利用率[2]。当前我们公司生产低压铸造铝合金车轮在材料检查过程中极易出现Si偏析现象，严重的情况下会影响到铝合金轮毂的使用性能。在国际汽车轮毂业竞争日益激励的今天，客户对汽车铝合金轮毂的技术水平和安全性能的要求不断前提，降低铝合金轮毂Si偏析现象满足客户需求已经刻不容缓[3]。

1 问题的提出

车轮在客户材料检测过程中，发现产品轮辐外观质量有缺陷，被客户判定不合格拒绝接收，需要整改（见图1椭圆虚线内外观）。

图1 A356.2低压铸造铝合金车轮轮辐外观不合格

2 检测分析

将轮辐外观不合格部位剖开进行宏观观察、成分检测、力学性能检测，放大100倍和200倍观察其金相组织。

2.1 宏观观察结果

将轮辐外观不合格部位剖开进行宏观观察，发现其断口上未见异常，无明显缩松等铸造缺陷。

2.2 成分和力学性能检测

轮辐合金的化学成分及力学性能检测结果见表1和表2。从表1中可知，该部位Si含量偏低，说明该部位存在Si成分偏析现象。因为化学成分检测结果只是体现数据上的问题反映，还需要金相等其它检测方式来验证偏析情况，以确定外观缺陷部位是否存在Si偏析现象。

表1 A356.2铸造铝合金的化学成分（质量分数／%）

表2 外轮缘的力学性能

由2表可见，产品经T6热处理后轮辐力学性能合格。

2.4 轮辐的金相组织

轮辐的金相组织观察结果示于图3。

图3 轮辐的金相组织

从图3金相图片分析发现，外观缺陷部位存在因Si聚集而产生的偏析现象，而根据我们的经验，Si聚集产生的偏析的原因与该位置对铸造模具施加的冷却强度弱、铸件冷却速率相对缓慢有关。造成Si聚集产生偏析，解决该问题最直接有效的办法是对偏析点增加冷却强度。我们铸造工艺技术团队也是不断通过日常的技术改进与实践来验证这一观点。

3 技术改进与实践

起初我们铸造技术团队对产品外观出现该缺陷认为是产品表面的机械油污或者其它类的表面缺陷，通过一系列材料实验分析，我们推翻了该结论，认为对铸件的冷却载体－铸造模具进行修改并优化铸造工艺，便可取得良好的成效和结果。

3.1 铸造模具局部冷却设计

铸造模具是车轮铸件毛坯的冷却载体，根据外观缺陷样件的位置，我们对铸造模具对应位置重新设计修改，修改前与后的设计图对比见图4。

图4 铸造模风孔设计

由图4（a）和（b）对比可以看出，铸造模具修改之后在产品外观易出缺陷部位进行了两处更改，一是设计了局部强冷材料结构，二是在强冷材料处增加了冷却风孔。在模具冷却结构及冷却方式修改前提下，铸造工艺也做了调整，希望在提高冷却速率的前提下，最大限度改善材料组织Si偏析聚集严重情况。

3.2 铸造模具温度检测

使用远红外热成像仪拍摄铸造模具在线温度，通过检测数据可以看出，修改之后铸造模的冷却强度增大，本次测试产品外观易出现缺陷部位的温度较修改前下降了近30℃以上。图5所示即为改进前后模具温度对比。

图5 模具在线温度

3.3 改进后缺陷部位化学成分分析

取改进后的样件进行化学成分分析，我们发现：改进后缺陷部位材料金相组织Si的成分为6.85%（见表2），成分处于比较理想状态，符合标准合格范围要求。

表3 改进后的化学成分（质量分数/%）

3.4 改进后缺陷部位金相组织分析

如图6所示，改进后的显微组织化学成分偏析较图3有明显改善：初生α-Al形态发生根本性变化，板条状的枝晶状态已经看不到了，呈现出来的形状基本为相似的粒状初生α-Al，晶粒组织均匀，细化状态明显，Si相圆整度高。

图6 轮辐放大200倍金相图片

4 分析讨论

对轮辐外观不合格部位取样分析，经放大100倍与200倍产品热处理后的组织为低于B级的非正常变质，共晶硅边角不够圆滑，呈聚集状、长杆状分布，个别有大晶块初结晶，金相组织不合格。低压铸造生产铝合金车轮过程中，由于冷却速率较慢，Si偏析严重，分布也不均匀，尤其是当Si含量较高时，初生Si非常粗大，呈板条状或多角状等不规则形状，共晶Si呈现长针状，这些形态的Si将严重割裂基体的连续性，很容易在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，易发生断裂，恶化合金性能[4]。消除低压铸造铝合金车轮宏观化学成分偏析的措施无非从以下几点考虑：（1）保证合金成分，将凝固过程中合金液体的密度差别减到最小。因为合金液的密度差是促进合金流动的因素之一；（2）适当提高铸件的高度。因为液体静压头愈大，流动会愈加剧烈；（3）加入孕育剂细化枝晶组织，使流动阻力增加，从而减小流动速度；（4）在凝固开始阶段，用加速液体对流的办法，可以细化晶粒，但在凝固过程中，应该使液体的对流停止；（5）加大冷却速度，缩短固－液两相区的凝固时间。浇铸温度太高，浇铸速度太快，均会延缓铸件冷却，从而使宏观偏析加剧[5]。

5 结论

（1）轮辐外观的不合格是由于材料本身Si化学成分偏析造成，产品正面精车后，材料偏析形成的特殊纹理裸露在产品表面，影响车轮本身的美观性。

（2）减少或者消除铝合金车轮成分偏析最有效的途径是哪里偏析就在哪里施加冷却。

（3）针对铸造模具进行改良：在易产生偏析部位适当增加特殊冷却材料，并在强冷材料处增加冷却风孔，有效地解决了Si偏析问题。

[1]田荣璋.铸造铝合金[M].长沙，中南大学出版社2006：58-59

[2] 熊星之.大型铝合金缸盖高质量无冒口低压铸造技术[J].特种铸造及有色合金，2012(12)：330-331

[3]王贵，周鹏，陈学武.低压铸造铝合金轮毂Si偏析的研究[J]．铸造工程，2010，34(4)：24-26

[4]袁崇胜，杨刚，等.降低Al-Si-Mg铸造铝合金Si偏析的措施[J].有色金属（冶炼部分），2006（2）：46-47

[5]胡汉起.金属凝固原理[M].北京，机械工业出版社，2012：220-221

国内首条铝锭在线激光二维码标识系统生产线

中铝连城以智能铸造为切入点，与兰州理工大学积极探索电解铝行业智能制造技术，联合开发投产了铝锭在线激光二维码标识管理信息系统，将激光技术应用于铝锭标识，在国内率先实现了铝锭在线计量、合格证标签打印的无人化操作，实现了从铝锭生产、出入库到客户网上查询质量信息的激光二维码全流程管理。该系统对原有流程进行优化，使用PDA扫码进行质量检查确认、出入库操作，在铸造生产线上直接将标签标刻于铝锭表面，实现了下线即入库的工艺流程，提高了铝锭出入库效率，减少了中间人为参与环节和倒运环节，节约了成本。

中铝郑州研究院研发电解铝用防渗料

郑州研究院技术研发组经过对8个配方(化学成分)、15个粒度配比以及5种添加剂含量分别对防渗性能、导热系数、捣实密度等进行了1800组的正交实验，通过对实验数据及各影响因素分析，形成了研究院独有的电解槽用防渗料配方。使其不但能抵抗冰晶石电解质的侵蚀，具有足够的耐火度、良好的体积稳定性和保温性能，而且原料资源丰富、价格相对低廉。用户使用反馈和科学检测表明，抗电解质渗透能力比原市场防渗料产品提升4倍以上。不仅解决了电解铝用防渗料的短板问题，避免了因防渗料质量造成的巨大隐形经济损失，而且创造了很好的经济与社会效益。

国内产业政策将主导铝价

国家环保及去产能政策与现货层面的矛盾愈发激烈，铝后市何去何从？通过分析国家政策，以及铝基本面情况，认为今年国内铝价将在矛盾碰撞中振荡前行。供应过剩最终使得2015年铝价大跌，市场倒逼企业自发减产。随着2016年铝价大幅上涨，利润修复使得铝企加快投产，若不加以限制，2017年国内铝运行产能将达到39270kg，供应愈发过剩。另外，今年中央环境保护督查今年将首次覆盖全国。随着环保督查不断深入，铝企业对环保成本将加大，有助于加快淘汰落后产能。自年初以来，国内外铝价的现状是伦铝库存减少，国内供应过剩。境外伦铝在库存减少及新投产有限的影响下表现强势，而国内铝价则在供应过剩的影响下走势表现较为纠结。随着行业利润改善，预计电解铝运行产能不断攀升，而消费难以保持去年的高增长水平。总体来看，国内产业政策将成为影响铝价波动的主要因素，建议铝价短多长空，谨慎前行。

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

王贵（1975-），男，辽宁大连人，工程师，主要研究方向为铝合金车轮铸造工艺。

2016－10－30