梁青良，張伯洪，宋躍茹，孫瑤龍

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

1 鋁合金車輪的發(fā)展及低壓鑄造

自改革開放以后，我國(guó)對(duì)低壓鑄件的需求量日益增長(zhǎng)，大量鋁合金鑄造廠家不斷繁榮。自21世紀(jì)以后，我國(guó)鋁合金車輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度不斷提升，但是相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，發(fā)展還存在較大差距，究其主要原因，大都由于生產(chǎn)設(shè)備落后，生產(chǎn)工藝不足，所以所生產(chǎn)的鋁合金鑄件的不合格程度相對(duì)較高。由于我國(guó)鋁合金鑄造技術(shù)發(fā)展較晚，新中國(guó)成立后，對(duì)鋁合金鑄造工業(yè)的發(fā)展重視度才不斷提升，自1980年以后，鋁合金車輪才得以發(fā)展鑄造，1990年以后，其發(fā)展步入跨越式階段，鋁合金車輪企業(yè)不斷繁榮，對(duì)鋁合金車輪鑄造缺陷的研究也不斷增多[1]。

當(dāng)前，人們對(duì)能源利用率提升的需求不斷增長(zhǎng)，所以縮小汽車的污染已經(jīng)成為人們追求的主要目標(biāo)，其屬于汽車制造商材料選擇過(guò)程中必然考量的重點(diǎn)問(wèn)題，受到多種因素的影響，汽車減重出現(xiàn)在人們的視野之中，為對(duì)顧客需求進(jìn)行滿足，若是汽車的各項(xiàng)性能無(wú)法被滿足的情況下，車身的自重量將不斷提升，所以輕質(zhì)材料的應(yīng)用重要性日益凸顯，依靠減重形式，促進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)。鋁合金的強(qiáng)度較高，輕便性較強(qiáng)，且耐腐蝕，已經(jīng)成為輕質(zhì)材料之中的首選材料。在金屬鑄造不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，形成了鋁合金車輪低壓鑄造技術(shù)。其主要是在密閉的容器之中熔化金屬物質(zhì)，依靠液面壓縮性的惰性氣體或者空氣壓力，對(duì)金屬液壓力進(jìn)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(jìn)而對(duì)液面的壓力進(jìn)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(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品逐漸具有較高的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)緊密性較強(qiáng)，并可最大程度縮減制造成本，所以已經(jīng)在國(guó)外大量企業(yè)之中廣泛應(yīng)用，其中高達(dá)90%的汽車車輪均應(yīng)用低壓鑄造形式制作[2]。在鋁合金車輪制作中，應(yīng)用低壓鑄造技術(shù)，可促進(jìn)產(chǎn)品性價(jià)比的提升，增強(qiáng)其質(zhì)量。

2 鋁合金車輪低壓鑄造

2.1 輪轂設(shè)計(jì)

輪轂設(shè)計(jì)涵蓋輪轂自身結(jié)構(gòu)及制作工藝設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容，設(shè)計(jì)前，必須精準(zhǔn)地計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其會(huì)對(duì)車輪應(yīng)用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前發(fā)現(xiàn)，并依靠對(duì)應(yīng)工藝實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的，降低問(wèn)題的發(fā)生率。當(dāng)前，依靠計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行部分工作設(shè)計(jì)，使得輪轂設(shè)計(jì)便捷化程度不斷提升。無(wú)論任何類型的輪轂設(shè)計(jì)，均可以提前估算，其對(duì)于低壓鑄造工藝的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，積極效用顯著。設(shè)計(jì)輪轂?zāi)＞咭矊儆谧铌P(guān)鍵的設(shè)計(jì)步驟，若是設(shè)計(jì)中出現(xiàn)問(wèn)題，將直接降低工廠所制造的輪轂產(chǎn)品品質(zhì)，所以，生產(chǎn)車輪廠家正式進(jìn)行模具生產(chǎn)制造前，必須評(píng)審模具設(shè)計(jì)，以確保投入生產(chǎn)的產(chǎn)品特征，是最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員及相關(guān)專家必須對(duì)應(yīng)用的材料和設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)把控，同時(shí)，把控模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，以奠定良好產(chǎn)品鑄造的基礎(chǔ)，降低鋁合金車輪低壓鑄造中問(wèn)題的發(fā)生率[3]。

2.2 低壓鑄造流程

首先，鑄造前做好充足的準(zhǔn)備，對(duì)模具進(jìn)行檢查，開展噴砂及涂料干預(yù)，并合理性地開展預(yù)熱干預(yù)。若是不認(rèn)真對(duì)待，不僅會(huì)導(dǎo)致后續(xù)操作難度的提升，還會(huì)導(dǎo)致低壓鑄造缺陷的形成。在模具的檢查過(guò)程中，需要對(duì)模具的編號(hào)和側(cè)模進(jìn)行檢查，觀察標(biāo)識(shí)與參數(shù)表的一致性，分析其與計(jì)劃表的一致性。開展模具噴砂干預(yù)是對(duì)模具進(jìn)行清理的主要方式，其可對(duì)模具表面的涂料及參雜物質(zhì)進(jìn)行去除。噴涂涂料指的是在模具內(nèi)壁上進(jìn)行特殊涂料的涂抹，降低鑄造過(guò)程中金屬材料損壞模具內(nèi)壁問(wèn)題的形成，降低后續(xù)脫模不順利的問(wèn)題發(fā)生。模具處理干預(yù)前，預(yù)熱處理十分關(guān)鍵，其會(huì)導(dǎo)致涂料中所涵蓋的揮發(fā)性物質(zhì)能夠充分揮發(fā)，確保模具尺寸正常，可生產(chǎn)正常的模具型號(hào)，確保尺寸正常，降低缺陷問(wèn)題的形成[4]。

3 低壓鑄造鋁合金車輪的缺陷及處理措施

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)低壓鑄造缺陷開展了大量的研究，對(duì)消除裂紋、氣孔等缺陷的方式開展了重點(diǎn)分析。由于鋁合金車輪鑄造技術(shù)的要求相對(duì)較高，必須保障其可對(duì)各種要求進(jìn)行滿足，比如旋轉(zhuǎn)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(shù)研究中不可或缺的重要問(wèn)題，對(duì)其開展研究，并進(jìn)行改善和優(yōu)化，效用將會(huì)十分顯著。

3.1 裂紋

裂紋缺陷會(huì)直接導(dǎo)致鋁合金車輪生產(chǎn)成本的提升，對(duì)鋁合金車輪生產(chǎn)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致車輛安全受到嚴(yán)重威脅[5]。裂紋的產(chǎn)生主要由于低壓鑄造過(guò)程中的應(yīng)力集中，所以必須科學(xué)地進(jìn)行升液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(guò)程中的內(nèi)部壓力值超過(guò)逐漸自身強(qiáng)度的極限值而形成，其一般情況下會(huì)在鑄件表面形成。熱裂紋主要在合金凝固過(guò)程中發(fā)生，其與固態(tài)收縮過(guò)程中所受到的阻礙存在密切的相關(guān)性，若收縮過(guò)程中未遇到阻礙，則不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，若是阻礙存在，將會(huì)受到應(yīng)力效用，形成枝晶間的液體金屬薄膜凝固不全，導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。其主要由于開裂速度較快，導(dǎo)致金屬液無(wú)法及時(shí)對(duì)開裂部位進(jìn)行填滿，導(dǎo)致裂縫生成。升液系統(tǒng)為鑄件及升液管、保溫套等共同構(gòu)成的，液態(tài)金屬由鍋中進(jìn)入型腔的空間通道。若是升液管長(zhǎng)度不足，將導(dǎo)致金屬液降溫幅度不夠問(wèn)題，使得通道內(nèi)會(huì)早期凝固，所以升液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須對(duì)模具和設(shè)備等因素進(jìn)行綜合考量，盡量對(duì)金屬液面及澆口在鍋中的距離進(jìn)行縮短，促進(jìn)保溫套直徑的增加，以促進(jìn)保溫層厚度的提升。在進(jìn)行材料選擇過(guò)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(guò)早凝固的問(wèn)題，必須對(duì)升液管的直徑進(jìn)行擴(kuò)大，降低鑄件頂出過(guò)程中，升液管凝固而導(dǎo)致開裂問(wèn)題的形成。除此以外，為避免裂紋的出現(xiàn)，還需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中，確保圓角的合理性，降低尖角結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情況的形成，通過(guò)在截面設(shè)置在均勻結(jié)構(gòu)，在低壓鑄造中，以車輪不出現(xiàn)缺陷為前提，提升模具溫度。此外，還可以對(duì)澆口套開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，相對(duì)于鐵澆口套來(lái)說(shuō)，陶瓷澆口套具有更好的保溫性能，且整體結(jié)晶較好，不會(huì)沾鋁，具有較小的綜合能耗，可有效避免裂紋產(chǎn)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(huán)節(jié)中會(huì)不斷縮減，且其在凝固過(guò)程中的體積不斷縮小，凝固過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等。若是合金液之中氫的溶解度高于固態(tài)合金中的情況下，合金液會(huì)吸收周圍空氣之中的氫。在液相鋁合金之中，氫的溶解度會(huì)隨著溫度的提升而不斷增大，凝固過(guò)程中釋放一部分，若是氫的濃度或者氫分壓超過(guò)凝固區(qū)域壓力的情況下，將導(dǎo)致氫氣孔的形成。對(duì)低壓鑄造過(guò)程中，鋁合金車輪氣孔缺陷進(jìn)行優(yōu)化和控制的有效方式就是發(fā)展數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，對(duì)形成過(guò)程進(jìn)行模擬。早期模型主要進(jìn)行局部溫度的預(yù)測(cè)，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(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中，對(duì)分散氣孔位置及尺寸進(jìn)行合理性的預(yù)測(cè)，尤其是復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)之中，不僅包括局部凝固的條件，大面積的共晶體結(jié)構(gòu)和尺寸大小及氣孔位置分布均存在密切關(guān)系。共晶包還會(huì)導(dǎo)致氣體孔體積分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)致氣孔等效平均孔隙的增大，所以必須預(yù)防大面積共晶體的形成。微孔屬于低壓鑄造技術(shù)中常見(jiàn)的缺陷，車輪中出現(xiàn)氣孔不可避免，其中出現(xiàn)的特別小的孔洞就是微孔，在這一行業(yè)中，出現(xiàn)微孔的原因十分復(fù)雜，所以，對(duì)車輪氣孔缺陷進(jìn)行有效處理，在鋁合金低壓鑄造過(guò)程中，必須采取徹底去除氫的爐料，對(duì)排氣裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)充型環(huán)節(jié)的排氣能力進(jìn)行優(yōu)化。在鋁液充型的過(guò)程中，必須確保合金液層流動(dòng)性的良好程度，開展有序充型，應(yīng)更少的進(jìn)行涂料發(fā)氣量的選擇。除此以外，為對(duì)氣孔進(jìn)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(shí)間的充分程度，確保科學(xué)合理的進(jìn)車車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以合理化的冷卻形式，保障系統(tǒng)凝固順序的正?；痆6]。

3.3 氧化膜夾帶的處理

鋁和鋁合金在熔融情況下會(huì)迅速被氧化，在其接觸空氣的表面會(huì)形成一層氧化膜。在充型過(guò)程中，湍流過(guò)度將導(dǎo)致金屬夾帶部分氧化膜，導(dǎo)致低壓鑄造鋁合金車輪缺陷問(wèn)題的形成，并且欠澆缺陷也與氧化膜存在密切的相關(guān)性，其還會(huì)對(duì)合金液的流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響，尤其是對(duì)充型環(huán)節(jié)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(jiàn)充型環(huán)節(jié)模具內(nèi)部障礙物會(huì)導(dǎo)致金屬液局部表面湍流情況，也會(huì)導(dǎo)致金屬液回流的發(fā)生。通過(guò)對(duì)低壓鑄造鋁合金車輪順序充型過(guò)程開展模擬，發(fā)現(xiàn)在車輪澆口部位，輪輞部位和輪輻部位接觸位置，會(huì)產(chǎn)生熔融金屬液回流的現(xiàn)象，所以必須對(duì)金屬本身流動(dòng)速度進(jìn)行降低，還需要依靠設(shè)計(jì)形式進(jìn)行澆口位置的防范，降低輪輻湍流問(wèn)題的發(fā)生，必須在車輪模具之中停止的時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)，通過(guò)過(guò)濾好合金液，防范充型液之中存在較多的氧化膜，以此對(duì)缺陷的發(fā)生進(jìn)行有效控制。

4 低壓鑄造鋁合金車輪缺陷的預(yù)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(guān)鍵，噴涂材料的種類、應(yīng)用量將對(duì)低壓鑄造過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，若是噴涂材料選擇不正確，將形成噴涂料脫落問(wèn)題，導(dǎo)致噴涂顆粒雜質(zhì)或者鑄件無(wú)法正常脫模等現(xiàn)象的發(fā)生，合理進(jìn)行噴涂材料種類的選擇，合理的噴涂劑量十分關(guān)鍵，在噴涂材料選用過(guò)程中，必須不斷積累經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)優(yōu)化，進(jìn)行最佳噴涂方式的選擇，以對(duì)鋁合金車輪缺陷問(wèn)題開展有效的預(yù)防。

4.2 冷卻順序的科學(xué)把控

從澆鑄鑄件角度分析，冷卻順序?qū)ζ溆绊懯株P(guān)鍵，若是澆筑口部位冷卻的速度較快，將導(dǎo)致鑄件內(nèi)部會(huì)在冷卻過(guò)程中因收縮，無(wú)法得到流動(dòng)金屬液有效的補(bǔ)充。鑄件內(nèi)部會(huì)形成孔洞缺陷或者沙眼缺陷，所以必須進(jìn)行科學(xué)合理的把控。在對(duì)冷卻順序進(jìn)行把控的過(guò)程中，不僅需要對(duì)模擬熱流情況進(jìn)行關(guān)注，還需要不斷進(jìn)行澆筑經(jīng)驗(yàn)的積累。

4.3 鑄件的正常脫模

鑄件脫模過(guò)程中，影響因素相對(duì)較多，常見(jiàn)原因之一是模具設(shè)計(jì)時(shí)，上下模拔模斜度不足。此外，最常見(jiàn)的因素還有，澆筑速度過(guò)快。要求在策劃金屬鋁合金車輪低壓鑄造項(xiàng)目過(guò)程中，必須多方進(jìn)行嚴(yán)格審核，對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行充分考量，以預(yù)防缺陷問(wèn)題的發(fā)生，確保鋁合金車輪鑄件成品能夠正常脫模。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(wèn)題缺陷，只有重點(diǎn)對(duì)鋁合金車輪的鑄造缺陷進(jìn)行研究，加強(qiáng)對(duì)缺陷的重視程度，合理采取措施進(jìn)行缺陷控制，才可促進(jìn)鋁合金車輪性能的優(yōu)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(chǎn)中的效用顯著，鑄造優(yōu)勢(shì)突出，但是鑄造缺陷將直接影響車輪的正常應(yīng)用，所以具體問(wèn)題具體分析。噴涂材料合理選擇，科學(xué)地對(duì)冷卻順序進(jìn)行把控，并正常脫模，以合理措施降低缺陷發(fā)生率，以確保鋁合金車輪質(zhì)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(yōu)。