低压铸造铝合金车轮缺陷及对策

梁青良，张伯洪，宋跃茹，孙瑶龙

（1.浙江万丰奥威汽轮股份有限公司，浙江绍兴 312500；2.新昌县弘悦机械有限公司，浙江绍兴 312500）

1 铝合金车轮的发展及低压铸造

自改革开放以后，我国对低压铸件的需求量日益增长，大量铝合金铸造厂家不断繁荣。自21世纪以后，我国铝合金车轮产业发展速度不断提升，但是相对于国外来说，发展还存在较大差距，究其主要原因，大都由于生产设备落后，生产工艺不足，所以所生产的铝合金铸件的不合格程度相对较高。由于我国铝合金铸造技术发展较晚，新中国成立后，对铝合金铸造工业的发展重视度才不断提升，自1980年以后，铝合金车轮才得以发展铸造，1990年以后，其发展步入跨越式阶段，铝合金车轮企业不断繁荣，对铝合金车轮铸造缺陷的研究也不断增多[1]。

当前，人们对能源利用率提升的需求不断增长，所以缩小汽车的污染已经成为人们追求的主要目标，其属于汽车制造商材料选择过程中必然考量的重点问题，受到多种因素的影响，汽车减重出现在人们的视野之中，为对顾客需求进行满足，若是汽车的各项性能无法被满足的情况下，车身的自重量将不断提升，所以轻质材料的应用重要性日益凸显，依靠减重形式，促进燃油经济效益的增长。铝合金的强度较高，轻便性较强，且耐腐蚀，已经成为轻质材料之中的首选材料。在金属铸造不断发展的基础上，积累生产经验，形成了铝合金车轮低压铸造技术。其主要是在密闭的容器之中熔化金属物质，依靠液面压缩性的惰性气体或者空气压力，对金属液压力进行缩减，依靠升液管将其向型腔之中压入，以确保其能够受到压力影响，在压力束缚作用下不断凝固，进而对液面的压力进行缩减，以确保升液管之中的液相金属液可向熔炉之中回流。低压铸造技术所生产的产品逐渐具有较高的质量，结构紧密性较强，并可最大程度缩减制造成本，所以已经在国外大量企业之中广泛应用，其中高达90%的汽车车轮均应用低压铸造形式制作[2]。在铝合金车轮制作中，应用低压铸造技术，可促进产品性价比的提升，增强其质量。

2 铝合金车轮低压铸造

2.1 轮毂设计

轮毂设计涵盖轮毂自身结构及制作工艺设计两部分内容，设计前，必须精准地计算结构强度，其会对车轮应用过程中可能出现的问题提前发现，并依靠对应工艺实现优化目的，降低问题的发生率。当前，依靠计算机软件进行部分工作设计，使得轮毂设计便捷化程度不断提升。无论任何类型的轮毂设计，均可以提前估算，其对于低压铸造工艺的应用来说，积极效用显著。设计轮毂模具也属于最关键的设计步骤，若是设计中出现问题，将直接降低工厂所制造的轮毂产品品质，所以，生产车轮厂家正式进行模具生产制造前，必须评审模具设计，以确保投入生产的产品特征，是最优设计方案。设计人员及相关专家必须对应用的材料和设备进行详细把控，同时，把控模具设计的关键，以奠定良好产品铸造的基础，降低铝合金车轮低压铸造中问题的发生率[3]。

2.2 低压铸造流程

首先，铸造前做好充足的准备，对模具进行检查，开展喷砂及涂料干预，并合理性地开展预热干预。若是不认真对待，不仅会导致后续操作难度的提升，还会导致低压铸造缺陷的形成。在模具的检查过程中，需要对模具的编号和侧模进行检查，观察标识与参数表的一致性，分析其与计划表的一致性。开展模具喷砂干预是对模具进行清理的主要方式，其可对模具表面的涂料及参杂物质进行去除。喷涂涂料指的是在模具内壁上进行特殊涂料的涂抹，降低铸造过程中金属材料损坏模具内壁问题的形成，降低后续脱模不顺利的问题发生。模具处理干预前，预热处理十分关键，其会导致涂料中所涵盖的挥发性物质能够充分挥发，确保模具尺寸正常，可生产正常的模具型号，确保尺寸正常，降低缺陷问题的形成[4]。

3 低压铸造铝合金车轮的缺陷及处理措施

国内学者针对低压铸造缺陷开展了大量的研究，对消除裂纹、气孔等缺陷的方式开展了重点分析。由于铝合金车轮铸造技术的要求相对较高，必须保障其可对各种要求进行满足，比如旋转平衡、几何公差、表面抛光及气密性等。铸造缺陷作为铝合金车轮铸造技术研究中不可或缺的重要问题，对其开展研究，并进行改善和优化，效用将会十分显著。

3.1 裂纹

裂纹缺陷会直接导致铝合金车轮生产成本的提升，对铝合金车轮生产产生影响，导致车辆安全受到严重威胁[5]。裂纹的产生主要由于低压铸造过程中的应力集中，所以必须科学地进行升液系统的设计。裂纹类型主要包括冷裂纹和热裂纹两种。冷裂纹的形成主要由于逐渐冷却过程中的内部压力值超过逐渐自身强度的极限值而形成，其一般情况下会在铸件表面形成。热裂纹主要在合金凝固过程中发生，其与固态收缩过程中所受到的阻碍存在密切的相关性，若收缩过程中未遇到阻碍，则不会产生热裂纹，若是阻碍存在，将会受到应力效用，形成枝晶间的液体金属薄膜凝固不全，导致热裂纹的产生。其主要由于开裂速度较快，导致金属液无法及时对开裂部位进行填满，导致裂缝生成。升液系统为铸件及升液管、保温套等共同构成的，液态金属由锅中进入型腔的空间通道。若是升液管长度不足，将导致金属液降温幅度不够问题，使得通道内会早期凝固，所以升液系统的设计必须对模具和设备等因素进行综合考量，尽量对金属液面及浇口在锅中的距离进行缩短，促进保温套直径的增加，以促进保温层厚度的提升。在进行材料选择过程中，也需要选择保温性较好的材料，一般情况下以硅酸铝纤维毡作为保温材料。为降低升液管中过早凝固的问题，必须对升液管的直径进行扩大，降低铸件顶出过程中，升液管凝固而导致开裂问题的形成。除此以外，为避免裂纹的出现，还需要在设计过程中，确保圆角的合理性，降低尖角结构应力集中情况的形成，通过在截面设置在均匀结构，在低压铸造中，以车轮不出现缺陷为前提，提升模具温度。此外，还可以对浇口套开展优化设计，相对于铁浇口套来说，陶瓷浇口套具有更好的保温性能，且整体结晶较好，不会沾铝，具有较小的综合能耗，可有效避免裂纹产生。

3.2 气孔

气孔属于尺寸很小的孔洞，其直径一般情况下在300μm 以下，气孔形成的主要因素为液体铝合金吸氢，由于氢的溶解度在凝固的环节中会不断缩减，且其在凝固过程中的体积不断缩小，凝固过程中晶体结构发生改变等。若是合金液之中氢的溶解度高于固态合金中的情况下，合金液会吸收周围空气之中的氢。在液相铝合金之中，氢的溶解度会随着温度的提升而不断增大，凝固过程中释放一部分，若是氢的浓度或者氢分压超过凝固区域压力的情况下，将导致氢气孔的形成。对低压铸造过程中，铝合金车轮气孔缺陷进行优化和控制的有效方式就是发展数学模型的发展，对形成过程进行模拟。早期模型主要进行局部温度的预测，可用凝固范围较小，并且只适用于含氢元素较少的合金。在实际生产环节之中，对分散气孔位置及尺寸进行合理性的预测，尤其是复杂的工业系统之中，不仅包括局部凝固的条件，大面积的共晶体结构和尺寸大小及气孔位置分布均存在密切关系。共晶包还会导致气体孔体积分数的增加，导致气孔等效平均孔隙的增大，所以必须预防大面积共晶体的形成。微孔属于低压铸造技术中常见的缺陷，车轮中出现气孔不可避免，其中出现的特别小的孔洞就是微孔，在这一行业中，出现微孔的原因十分复杂，所以，对车轮气孔缺陷进行有效处理，在铝合金低压铸造过程中，必须采取彻底去除氢的炉料，对排气装置进行优化设计，对充型环节的排气能力进行优化。在铝液充型的过程中，必须确保合金液层流动性的良好程度，开展有序充型，应更少的进行涂料发气量的选择。除此以外，为对气孔进行控制，必须确保冷却合金液温度的合理性，需要确保压力和时间的充分程度，确保科学合理的进车车轮结构的设计，以合理化的冷却形式，保障系统凝固顺序的正常化[6]。

3.3 氧化膜夹带的处理

铝和铝合金在熔融情况下会迅速被氧化，在其接触空气的表面会形成一层氧化膜。在充型过程中，湍流过度将导致金属夹带部分氧化膜，导致低压铸造铝合金车轮缺陷问题的形成，并且欠浇缺陷也与氧化膜存在密切的相关性，其还会对合金液的流动性产生不利影响，尤其是对充型环节的自由液面具有较大的影响。但是其缺陷的尺寸一般情况下均比较小，可见充型环节模具内部障碍物会导致金属液局部表面湍流情况，也会导致金属液回流的发生。通过对低压铸造铝合金车轮顺序充型过程开展模拟，发现在车轮浇口部位，轮辋部位和轮辐部位接触位置，会产生熔融金属液回流的现象，所以必须对金属本身流动速度进行降低，还需要依靠设计形式进行浇口位置的防范，降低轮辐湍流问题的发生，必须在车轮模具之中停止的时间进行延长，通过过滤好合金液，防范充型液之中存在较多的氧化膜，以此对缺陷的发生进行有效控制。

4 低压铸造铝合金车轮缺陷的预防措施

4.1 喷涂材料的选用

喷涂材料的选用是在车轮浇筑之前所开展的关键，喷涂材料的种类、应用量将对低压铸造过程产生严重影响，若是喷涂材料选择不正确，将形成喷涂料脱落问题，导致喷涂颗粒杂质或者铸件无法正常脱模等现象的发生，合理进行喷涂材料种类的选择，合理的喷涂剂量十分关键，在喷涂材料选用过程中，必须不断积累经验，持续优化，进行最佳喷涂方式的选择，以对铝合金车轮缺陷问题开展有效的预防。

4.2 冷却顺序的科学把控

从浇铸铸件角度分析，冷却顺序对其影响十分关键，若是浇筑口部位冷却的速度较快，将导致铸件内部会在冷却过程中因收缩，无法得到流动金属液有效的补充。铸件内部会形成孔洞缺陷或者沙眼缺陷，所以必须进行科学合理的把控。在对冷却顺序进行把控的过程中，不仅需要对模拟热流情况进行关注，还需要不断进行浇筑经验的积累。

4.3 铸件的正常脱模

铸件脱模过程中，影响因素相对较多，常见原因之一是模具设计时，上下模拔模斜度不足。此外，最常见的因素还有，浇筑速度过快。要求在策划金属铝合金车轮低压铸造项目过程中，必须多方进行严格审核，对相关因素进行充分考量，以预防缺陷问题的发生，确保铝合金车轮铸件成品能够正常脱模。

5 结束语

综上所述，低压铸造铝合金车轮中，主要包括裂纹、气孔及氧化膜夹杂等问题缺陷，只有重点对铝合金车轮的铸造缺陷进行研究，加强对缺陷的重视程度，合理采取措施进行缺陷控制，才可促进铝合金车轮性能的优化，保障车辆驾驶安全性的提升。低压铸造在铝合金车轮生产中的效用显著，铸造优势突出，但是铸造缺陷将直接影响车轮的正常应用，所以具体问题具体分析。喷涂材料合理选择，科学地对冷却顺序进行把控，并正常脱模，以合理措施降低缺陷发生率，以确保铝合金车轮质量更加轻便，散热效用更加迅速，能耗更低，安全性更高，减震性更优。