A356.2低压铸造铝合金轮毂缩松分析及改善措施

张丽娟

摘要：铝合金轮毂铸造生产中各部位容易产生缩松缺陷，且是铸件缺陷当中最常见的缺陷。通过铸造模拟分析软件分析铝合金铸件缩松产生的原因，并通过设置合理的冷却风道及工艺改善此缺陷。

关键词：铝合金轮毂;良品率;R角缩松;轮辐缩松;热节;顺序凝固

前几年汽车行业发展迅猛，铝合金轮毂供不应求，各轮毂公司也没有太追求良品率、轻量化，但这几年铝合金轮毂行业已进入了微利时代，竞争也进入了白热化阶段，各轮毂公司在提升产品良品率、毛坯轻量化、产品轻量化方面大力发展。

铝合金轮毂制造技术是多种多样的， 而铝合金轮毂的铸造工艺， 目前主要有两种： 一种是金属型重力铸造， 一种是低压铸造，低压铸造还在其中占着最重要的地位。低压铸造相对重力铸造来说优点主要是：铸件是在压力下结晶，内部组织比较致密， 机械性能好;金属材料利用率相对较高。其实，这也只是和重力铸造相比。低压铸造本身也是有很多问题的，也亟待解决。

铝合金铸造是必须符合顺序凝固原则的，必须是重要部位先凝固，冒口部位后凝固，才能保证重要部位不产生缺陷，性能能够满足要求，但如果凝固过程类似于下面的过程，虽然也属于顺序凝固的范畴，但因在凝固过程中轮辐中间部位出现中断，导致轮辐R角部位不能得到及时的补缩，而产生缩孔或缩松。

我们知道，A356.2的液相温度为613℃，固相温度为556℃，其结晶过程是在这个温度范围内逐步完成的。随着枝晶的不断增大，其粘度升高，流运性变差，而且补缩是在枝晶间的缝隙内进行的，温度越低，枝晶越大，缝隙越小，补缩能力越差。在A356.2这种固液结合的状态中，有一个临界点，这个临界点值的大小和补缩能力有关，低压铸造、高压铸造及重力铸造这个临界点是不同的，对于低压铸造来说，理论上一般取50%，当液相分数少于这个临界点时，A356.2的宏观补缩通道已经基本关闭，无论加压多少，周期加长多久，对补缩已经基本不起作用了。这个液态临界分数是产生缩松的本质，只有液态分数高于这个临界点时才有补缩通道的存在。

对于低压铸造铝合金轮毂来说，产品结构是相对固定的，主要是尺寸的不同，虽然属于回转件，但由于轮辋及轮辐的壁厚较薄，也应属于薄壁铸件的范畴，其有效的补缩时间是非常有限的，大概只有60-100S，若想各部位补缩充分，时间一定要把握好。

我们一般解决R角缩松的办法不外乎就是加封层、减薄底模及上模底部厚度（改变产品除外），无论是哪一种，都是为了提升轮辐部位的温度，延长补缩时间，一般情况下，通过这些措施能延长补缩时间10-20S。适用于热量守恒定律：Cp铝×ρ铝×V铝×T降=Cp钢×ρ钢×V钢×T升，其中Cp及ρ全部为材料固有属性，为定量，只有体积V及温度T可变，V铝增大及V钢减小，都可以使T升增大，都可更利于R角补缩。

对低压铸造来说，冷却系统是模具的重要組成部分，冷却工艺是铸造工艺的核心，冷却直接作用在模具上使之形成稳定的温度场，间接作用在铸件上加速冷却部位的凝固速度。对于铝合金铸造来说，冷却的目的为：

①加速热节点部位的凝固，减少其缩松的产生（主要是R角部位）;

②提高冷却部位的机械性能（主要是轮辐部位）;

③使铝液集中的厚大部位加速凝固（主要是中心部位）;

冷却的目的不同，冷却的开关时机是有区别的，一旦错过了最佳时机，冷却效果将大打折扣。

①对于解决缩松问题的冷却，在其前端还存在补缩通道时冷却时间越长、强度越大，对解决缩松问题效;

②对于提高机械性能的冷却，在其结晶过程中施加冷却，能最大限度的提高性能;

③对于加快厚大部位凝固的冷却，在不影响其他部位凝固顺序和补缩的前提下尽早开启。

图2为铝合金轮毂铸件主要冷却通道分布图，各个冷却通道开关时间和冷却强度不仅要考虑其冷却目的，还要考虑此风道对铸件其他部位的影响。

R角位置作为铝合金轮毂主要的热节点，如何改善此部位的缩松问题是轮毂行业一直以来的难点，这就显得冷却设计及工艺配置尤为重要。通过前面的分析可以看出，轮辐部位对R角的补缩时间非常短，我们可以通过铸造模拟分析软件分析好后再配置冷却位置、冷却时间及冷却的开关时间。当然，工艺配置时也要综合考虑轮辋的凝固顺序，不能产生轮辋缩松。

除了R角部位易产生缩松外，轮辐部位也容易产生缩松，轮辐缩松后分析机械性能，无论是延伸率、还是抗拉强度、屈服强度都会下降，影响轮毂的整体强度。对于提高轮辐性能的冷却，只有在其结晶的过程中的冷却才有效，轮辐凝固完成后的冷却对提高轮辐机械性能就没有什么影响了，只会阻碍R角部位的补缩，是不可取的。如图3是模拟分析中两点的温度曲线。

以上已经提到了低压铸造的液相分数有一个临界点50%，R角部位补缩已经在液相分数大于50%时完成，当液相分数小于50%（即上表中凝固50-100%之间）时，可以施加冷却（即轮辐A点的最佳冷却设置时间为90-185S，轮辐B点的最佳冷却设置时间为110-240S），便于提升轮辐机械性能。

从冷却分布图及模拟分析来看，轮心位置是低压铝合金铸造冷却最集中的部位，也是最后凝固的部位，其冷却强度及时间受铸造周期的影响，冷却要持续到开模时再关闭，但具体开启时间要根据不同的轮型及X-ray的检测结果来判定。

结论：铝合金铸造最易产生缩松的位置主要有轮辐、轮辐R角、轮心及轮辋，无论是通过铸造模拟分析软件提前预防，还是生产过程当中通过工艺调整来控制，只要我们对各部位产生缩松的原因分析到位了，冷却时机把控了，就一定能做到事半功倍。

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