A356汽車鋁輪轂低壓鑄造技術(shù)獲得優(yōu)異性能方法研究

A356汽車鋁輪轂低壓鑄造技術(shù)獲得優(yōu)異性能方法研究低壓鑄造法的雛形可以追溯到上世紀(jì)初，特別適用于鋁合金。1958年美國的澤訥拉路默它斯在小型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)零件上（氣缸頭、箱體、齒輪箱）大量運(yùn)用了鋁合金鑄件，并采用了低壓鑄造法。這件事對(duì)至今仍廣泛采用的低壓鑄造法而言是不可或缺的推動(dòng)，特別是在全世界的汽車工業(yè)界引起了極大的反響。低壓鑄造法被介紹進(jìn)我國是1957年左右，但真正引起業(yè)界的注意，開始進(jìn)行各種研究、引進(jìn)設(shè)備是從1960年左右開始的。1970年以后大量應(yīng)用在輪轂上，并且隨著汽車輕量化和提高性能等要求，在以往從未有過的復(fù)雜內(nèi)部品質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)的嚴(yán)格要求下，氣缸頭、氣缸體上的使用也逐漸增加。低壓鑄造是介于壓力與重力鑄造之間的一種鑄造方法。它的基本原理是：在裝有金屬液的坩堝中，通入干燥的壓縮空氣（或惰性氣體）于保持一定溫度的金屬液的表面上，使金屬液沿著升液管自下而上通過澆道進(jìn)入型腔，待金屬液充滿腔后，增大氣壓并使液面上的氣體壓力保持至鑄件完全凝固，然后解除壓力，使升液管和澆道中末凝固的金屬回落到坩堝中，即完成一個(gè)低壓鑄造過程，開型后獲得所需的鑄件。低壓鑄造示意圖見圖1。圖1低壓鑄造示意圖低壓鑄造的特點(diǎn)有：（1）澆注時(shí)的壓力和速度可以調(diào)節(jié)，故可適用于各種不同鑄型（如金屬型、砂型等），鑄造各種合金及各種大小的鑄件。（2）采用底注式充型，金屬液充型平穩(wěn)，無飛濺現(xiàn)象，可避免卷入氣體及對(duì)型壁和型芯的沖刷，提高了鑄件的合格率。（3）鑄件在壓力下結(jié)晶，鑄件組織致密、輪廓清晰、表面光潔，力學(xué)性能較高，對(duì)于大薄壁件的鑄造尤為有利。（4）省去補(bǔ)縮冒口，金屬利用率提高到90～98%。（5）勞動(dòng)強(qiáng)度低，勞動(dòng)條件好，設(shè)備簡(jiǎn)易，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。低壓鑄造工藝流程包括：升液——將一定壓力的干燥空氣通入坩堝中，使金屬液沿著升液管平穩(wěn)上升到鑄型的澆道處。結(jié)殼——金屬液受型腔接觸面冷卻形成一層固態(tài)金屬。增壓——金屬液充滿型腔后，立即進(jìn)行增壓，使金屬液處在高于充型壓力狀態(tài)。保壓——金屬液在壓力下凝固。卸壓——鑄件凝固完畢，卸除坩堝中的壓力。根據(jù)不同零件的特點(diǎn)在冷卻一定時(shí)間后開型。低壓鑄造工藝流程見圖2。圖2低壓鑄造工藝流程示意圖升液階段升液階段充型階段結(jié)殼階段增壓階段保壓階段卸壓階段開型得到產(chǎn)品鑄件A356鋁合金低壓鑄造會(huì)出現(xiàn)一些鑄造缺陷，例如縮孔縮松缺陷，氣孔缺陷，表面粗糙缺陷以及其他一些缺陷。合金在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄件厚大部位形成管狀、嗽叭狀或分散孔洞稱為縮孔；形成細(xì)小的孔隙稱為縮松?？s孔的相對(duì)體積與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件等有關(guān)。液態(tài)金屬的溫度愈高，則液體與固體之間體積差愈大，而縮孔的體積也愈大。在薄壁鑄型中澆注金屬時(shí)，型壁迅速受熱而冷卻型壁的空氣則是熱的不良導(dǎo)體，因此型壁越薄則受熱越快，液體金屬也越不易冷卻，金屬液冷凝后產(chǎn)生的縮孔也愈大。總之，液體金屬的冷凝條件，對(duì)縮孔體積的大小有顯著的影響。產(chǎn)生縮松的主要原因與縮孔相同，也是由于金屬凝固時(shí)的體積收縮所造成。因此在縮孔附近一般常存在著較多的縮松。由于低壓鑄造是反重力鑄造，重力時(shí)刻都在阻礙補(bǔ)縮。因而無論對(duì)于砂型鑄造還是金屬型鑄造、同時(shí)凝固的鑄件還是順序凝固的鑄件，液面加壓控制系統(tǒng)質(zhì)量的好壞都是決定鑄件致密性的關(guān)鍵。尤其是對(duì)于薄壁件金屬型鑄造，凝固時(shí)間本來就不長。當(dāng)充型至型頂時(shí)液態(tài)金屬中固相部分已經(jīng)占有相當(dāng)大的比例，此時(shí)應(yīng)立即急速升壓，以便克服重力的負(fù)作用，進(jìn)行補(bǔ)縮。這對(duì)鑄件致密性是極為關(guān)鍵的。目前有些液面加壓控制系統(tǒng)在這關(guān)鍵時(shí)刻仍舊按充型速度緩慢加壓或壓力越高升壓速度卻越慢，其后果是貽誤了補(bǔ)縮的良機(jī)。當(dāng)液態(tài)金屬凝固結(jié)束后，無論增壓多大都起不到補(bǔ)縮的作用。鑄件補(bǔ)縮不足可導(dǎo)致致密度低，容易產(chǎn)生縮孔與縮松。生產(chǎn)有時(shí)補(bǔ)縮壓力已經(jīng)很高（可達(dá)0.2MPa），但鑄件仍有縮松缺陷，致使打壓滲漏率太高。在補(bǔ)縮通道合理時(shí)，這主要是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)增壓的時(shí)機(jī)沒控制好，而不是所謂“補(bǔ)縮壓力大小對(duì)鑄件致密性影響不大”的錯(cuò)誤說法。例如：某廠試生產(chǎn)一種較大的薄壁件，試制很長時(shí)間沒鑄出合格的鑄件。該鑄件縮松多、致密性差、打壓滲漏嚴(yán)重。當(dāng)將老式的液面加壓控制系統(tǒng)換成閉環(huán)反饋的“CLP-3型”低壓鑄造液面控制系統(tǒng)后，在原工藝沒有改變的情況下生產(chǎn)出合格的鑄件。由此可見，液面加壓控制系統(tǒng)在低壓鑄造生產(chǎn)中的作用是極其重要的?？赏ㄟ^下表的措施來防止縮孔縮松：序號(hào)縮孔縮松預(yù)防措施1使鑄型溫度分布合理，即上部溫度低，下部溫度高來增加補(bǔ)縮能力。2使鑄型自身的熱容量分布合理，即下部熱容小，上部熱容大（即下部型壁薄，上部型壁厚）。3對(duì)局部熱節(jié)處應(yīng)采用強(qiáng)制冷卻，以調(diào)節(jié)出一個(gè)符合補(bǔ)縮的溫度場(chǎng)分布。4對(duì)局部影響補(bǔ)縮的“冷節(jié)”，可在背后的四周鉆孔銑槽，然后充填絕熱材料，以增大熱阻，可給出合理的溫度場(chǎng)。5降低充型速度及型溫，但要適當(dāng)，以防出現(xiàn)冷隔及澆不足。6適當(dāng)降低澆注溫度對(duì)減少縮松有顯著的影響。鑄件氣孔缺陷主要分為析出性氣孔、反應(yīng)性氣孔、侵入性氣孔。在低壓鑄造中，產(chǎn)生氣體的根源很多，主要有如下方面：a、存在于型腔中的空氣b、濕芯中析出的水蒸氣c、烘烤燒毀粘結(jié)劑而產(chǎn)生的氣體d、從坩堝沖到型腔中的空氣或惰性氣體e、由于鑄型的涂料沒有充分烘干而產(chǎn)生的水蒸氣f、由于合金中溶解有氣體，在冷卻過程中析出來的氣體。析出性氣孔主要均勻分布在內(nèi)部靠近冒口處、熱節(jié)溫度較高區(qū)域，氣孔細(xì)小且分散經(jīng)常同縮孔共存。反應(yīng)性氣孔主要均勻分布在型壁與鑄件的接觸面上，氣孔表面光滑，呈銀白色（鑄鋼件），金屬光亮色或暗色。侵入性氣孔分布在鑄件上部，孔洞光滑。從鑄造熔煉工藝方面考慮可以采用下列方法預(yù)防氣孔缺陷的產(chǎn)生。a、任何種類的金屬熔煉時(shí)間都應(yīng)盡可能縮短，以防時(shí)間過長使液態(tài)金屬吸氣量增大。b、含鋁的合金應(yīng)盡可能不用工頻爐熔煉，因?yàn)檫@種爐子的攪拌能力極強(qiáng)，而鋁與空氣接觸很易氧化成Al2O3，并進(jìn)入液態(tài)金屬中成為熔渣，也為氣體的析出提供機(jī)會(huì)。同時(shí)也容易與H2O發(fā)生反應(yīng)，使液態(tài)金屬吸入H2氣。c、投料時(shí)應(yīng)先投入熔點(diǎn)低的料，依次投入熔點(diǎn)高的料，這樣會(huì)使金屬吸氣量小，其原因就在于爐料與空氣接觸面積和時(shí)間均減少。d、液態(tài)金屬除氣后應(yīng)立即扒渣、澆注，不可停留過久，以防再吸氣。在低壓鑄造中，要特別注意鑄型的排氣。與一般澆注比較，低壓鑄造的鑄型排氣條件比較差，因用于低壓鑄造的鑄型基本上是密封的，金屬液的充型速度又比較快，不象一般澆注中能通過明冒口等措施來排氣，而低壓鑄造的鑄型只能從分型面處和排氣孔中排氣。往往因鑄型排氣不暢而澆不出成形鑄件，或者是產(chǎn)生“包氣”現(xiàn)象，或者因模具憋氣出使鑄件輪廓不清，排氣不暢會(huì)在澆注過程中產(chǎn)生與充型方向相反的“反壓力”。使金屬液壓在上升過程中產(chǎn)生波動(dòng)，影響鑄件質(zhì)量，因此在低壓鑄造的鑄型設(shè)計(jì)過程中，除了考慮鑄件的順序凝固外，排氣條件是不可忽視的因素。在澆注時(shí)，熱的金屬液進(jìn)入型腔，型腔中的氣體被加熱以后，會(huì)強(qiáng)烈成倍地增加它的體積，所以在考慮鑄型工藝時(shí)，要特別著重排除氣體產(chǎn)生的根源。例如：砂芯在裝配時(shí)，潮芯的表面層含水量不應(yīng)超過5%～6%，而砂芯應(yīng)有適當(dāng)?shù)耐獾?。由于鎂合金鑄造，型砂和芯砂的附加物，應(yīng)控制在最低的范圍內(nèi)。用油砂芯應(yīng)仔細(xì)烘烤。金屬型表面的涂料層脫落后，應(yīng)重新噴涂并重新干燥。低壓鑄造運(yùn)用金屬型時(shí)，排氣裝置通常有：a、排氣槽，一般開在分型面上，系三角形，深0.5mm,寬1mm左右;b、排氣片，一般用在帶葉片的鑄件，排氣片厚度一片不大于0.2mm,寬度均為100mm左右，排氣片根部開口R2的圓角，以便脫型取件時(shí)將鉆入排氣片的鋁箔一起脫出，排氣片位置一般開在葉片死角和最高處，排氣片中心線要求與脫型取件方向一致，最好能有一定的拔模斜度，防止鉆進(jìn)排氣片的鋁箔斷在里面，堵死通道，失去排氣作用。c、排氣針、排氣塞和排氣砂孔，可根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在局部鑄件的死角采用此法，即在模具里鑲進(jìn)排氣塞和梅花狀的金屬棒，由于排氣塞和梅花針狀的棒上有細(xì)槽和縫隙，氣體可以從這此細(xì)槽和縫隙中排出，梅花形狀的細(xì)槽為三角形，深度不超過0.5mm，排氣塞根據(jù)不同要求，可選用不同的形式，但梅花針和排氣塞比較麻煩，需經(jīng)常拆卸，清除鉆進(jìn)的飛刺，故不被常用，為達(dá)到排氣效果，也可在原來考慮鑲排氣針的孔里填進(jìn)型砂，利用型砂的透氣性來排氣。該孔不宜太大，直徑一般不超過6mm，由于型砂導(dǎo)熱性差故不宜開在鑄件厚處。d、曲縫隙排氣，一般設(shè)置在鑄件的頂部，即冒口或集渣槽的上部。曲折縫隙對(duì)金屬流動(dòng)的阻力是較大的，但對(duì)氣體的排出則比較通暢，排氣效果較好，但要注意取出鑄件方便。E、蓄氣槽，主要用于排氣比較困難的大平面鑄件，對(duì)這一類鑄件，除了考慮其他的排氣措施處，在需要加工的大平面上開設(shè)蓄氣花槽，這種花槽除本身可以儲(chǔ)存部分氣體外，還溝通了排氣通道，有利于型腔中氣體的排除，槽的形狀也是三角形的。f、涂料蓄氣，因?yàn)橥苛媳旧硪彩且环N蓄氣的有效措施，涂料噴在熱模具上會(huì)形成微小的毛細(xì)疙瘩，這些毛細(xì)疙瘩起了“蓄氣庫”的作用，所以在鑄件表面粗糙度允許在情況下，也利用金屬液的流動(dòng)，這里盡量不用發(fā)生性強(qiáng)烈的涂料（如石墨油等），通常用氧化鋅。總之，排氣的方法是多種多樣的，只要根據(jù)鑄件的特點(diǎn)，綜合考慮鑄件的充型情況，選擇合理的排氣位置，采取不同的排氣措施是能夠得到良好的排氣條件從而預(yù)防氣孔缺陷的產(chǎn)生。表面粗糙缺陷是鑄件受型壁表面粗糙度的制約使鑄件表面光潔度不滿足設(shè)計(jì)、用戶要求，從而導(dǎo)致鑄件不能合格。表面粗糙缺陷的預(yù)防措施主要有如下幾點(diǎn)。a、降低鑄型溫度，使液態(tài)金屬在充型結(jié)殼時(shí)容易產(chǎn)生一層硬殼，從而降低砂型鑄件表面粗糙度值。b、創(chuàng)造條件使型壁與液態(tài)金屬之間能產(chǎn)生氣膜，這可以顯著降低鑄件表面粗糙度值。c、使用涂料可改善砂型鑄件表面粗糙程度，這是眾所周知的。但能減小型壁表面的透氣性，以延長型壁上氣膜存在時(shí)間而達(dá)到降低鑄件表面粗糙度值的這一機(jī)理，卻很少被人注意。d、在不影響補(bǔ)縮的前提下，適應(yīng)減小充型時(shí)的壓力值，從而減少液態(tài)金屬浸入砂粒的深度，又可減少排擠氣膜的液態(tài)金屬靜壓，達(dá)到降低鑄件表面粗糙值的目的。e、增大液態(tài)金屬與型壁之間的潤濕度。要想獲得性能優(yōu)異的A356鋁合金，對(duì)其的晶粒大小有較高的要求。細(xì)化晶粒對(duì)獲得優(yōu)異的組織性能有重大影響。同時(shí)，細(xì)化處理不僅可以細(xì)化晶粒，使組織致密，而且可以減輕鑄件的熱裂和偏析傾向，降低氣孔率，從而顯著提高鋁合金鑄件的力學(xué)性能。近年來，隨著晶粒細(xì)化理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多細(xì)化處理方法，其中最有效、最實(shí)用的方法是添加中間合金細(xì)化劑。除最常用的Al-Ti-B中間合金外，目前RE元素的變質(zhì)細(xì)化作用逐漸引起研究者和生產(chǎn)廠家的重視。大量實(shí)踐證明細(xì)化處理工藝及中間合金的質(zhì)量對(duì)細(xì)化效果具有重要影響。實(shí)驗(yàn)表明，Al-Ti-B-RE中間合金中的RE可以有效抑制細(xì)化衰退現(xiàn)象，其原因是加入適量的稀土元素能阻止TiB2發(fā)生聚集、沉淀，從而延緩衰退；此外，稀土元素La、Ce等能降低鋁熔體的表面張力，增加鋁熔體對(duì)TiB2顆粒表面的擴(kuò)張系數(shù)，既能充分發(fā)揮TiB2的異質(zhì)形核作用，又能防止TiB2的聚集長大。但是，試驗(yàn)方案Ⅳ盡管初期具有明顯的細(xì)化效果，但細(xì)化衰退現(xiàn)象比較顯著，表明過量的RE也會(huì)干擾細(xì)化效果。其原因可能是一方面過量的RE會(huì)促進(jìn)偏聚物的形成，形成夾雜物，從而影響細(xì)化效果；另一方面，Al-10RE中間合金中富RE相尺寸明顯大于Al-5Ti-1B-10RE中的富RE相(如圖2所示)，細(xì)化相的原始狀態(tài)對(duì)細(xì)化效果會(huì)產(chǎn)生一定影響，超過某一臨界尺寸的富RE相可能不會(huì)有細(xì)化作用。

此外RE元素對(duì)鋁合金顯微組織也有重大影響。加入RE元素可以增加鋁硅合金共晶轉(zhuǎn)變的過冷度，從而使二次枝晶臂減??；可以降低熔體的表面張力，增加合金凝固時(shí)的過冷，從而使枝晶細(xì)化；稀土含量只有大于某一臨界值(在鋁硅合金中約為0.1%～0.15%)后才會(huì)在細(xì)化晶粒的同時(shí)細(xì)化枝晶組織，若含量小于臨界值，盡管可以顯著減小晶粒尺寸，卻粗化枝晶組織，并且形成的粗大共晶相在后續(xù)熱處理過程中也難以消除；RE元素可使鋁硅合金的共晶硅相由片條狀變成球粒狀，并且稀土變質(zhì)劑具有很好的長效性和重熔穩(wěn)定性。但是，RE元素對(duì)Ti、B的細(xì)化作用和Sr的變質(zhì)作用的影響方面的研究較少。通過實(shí)驗(yàn)可以得到如下結(jié)論：(1)Al-5Ti-1B-10RE中間合金可有效抑制鋁硅合金長時(shí)間靜置過程中晶粒尺寸的衰退，適合于大批量汽車鋁合金鑄件的生產(chǎn)。

(2)在試驗(yàn)條件下，Al-5Ti-1B-10RE細(xì)化處理后在靜置過程中A356.2合金晶粒尺寸減小的同時(shí)伴隨著顯微組織的粗化；Al-5Ti-1B-10RE中間合金中的RE對(duì)Ti、B的細(xì)化作用和Sr的變質(zhì)作用均有一定的促進(jìn)作用。

(3)TP-1型檢測(cè)法操用簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，是一種中間合金細(xì)化效果在線檢測(cè)的有效方法。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常通過熱處理方法來提高鋁合金輪轂的性能。鋁合金輪轂的熱處理強(qiáng)化的主要方法是固溶淬火加人工時(shí)效。在Al-Si-Mg合金中，固溶處理的實(shí)質(zhì)在于：將合金加熱到盡可能高的溫度，并在該溫度下保持足夠長的時(shí)間，使強(qiáng)化相Mg2Si充分溶入α-Al固溶體，隨后快速冷卻，使高溫時(shí)的固溶體呈過飽和狀態(tài)保留到室溫。溫度愈高，愈接近固相線溫度，則固溶處理的效果愈好。固溶處理也會(huì)改變共晶Si的形態(tài)，隨著固溶保持時(shí)間的延長，Si相有一個(gè)緩慢球化和不斷粗化的過程，這種過程隨固溶溫度的提高而增強(qiáng)。一般鋁合金輪轂的固溶溫度選擇在535--545℃之間，時(shí)間為6小時(shí)。固溶溫度對(duì)Si相形態(tài)的影響要比保溫時(shí)間的影響大得多，通過參照相關(guān)理論和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，550℃保溫100分鐘后的Si相形態(tài)等同于540℃保溫300分鐘后的形態(tài)，目前中信戴卡公司熱處理工序步進(jìn)式連續(xù)爐，除特殊產(chǎn)品有明確要求外，均采用固溶550℃保溫140分鐘左右的熱處理工藝。當(dāng)然，選擇的是較高的固溶溫度，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性的要求也很高，爐膛內(nèi)各部溫度要均勻，否則局部溫度過高，會(huì)導(dǎo)致部分產(chǎn)品過熱、過燒。鋁合金輪轂淬火時(shí)的水溫一般選擇在60--80℃之間，而且水的狀態(tài)對(duì)機(jī)械性能也有一定影響，這是因?yàn)檩嗇灤慊饡r(shí)水溫升高，工件表面局部水氣化的可能性增大，一旦氣囊形成，冷速就明顯降低，這會(huì)使機(jī)械性能降低，因而在工件淬火的情況下，必須要開啟水循環(huán)裝置（攪拌器、循環(huán)泵等），使水箱內(nèi)的水處于流動(dòng)狀態(tài)，水溫均勻，工件表面沒有形成氣囊的機(jī)會(huì)，保持一定的冷卻速度，確保淬火效果控制淬火的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)Mg2Si強(qiáng)化相的分布很重要，轉(zhuǎn)移時(shí)間長會(huì)使強(qiáng)化元素?cái)U(kuò)散析出而降低合金的力學(xué)性能，所以轉(zhuǎn)移時(shí)間越短越好，這也是生產(chǎn)實(shí)際中為什么要求轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在20s之內(nèi)的原因。淬火后人工時(shí)效溫度的選擇，對(duì)輪轂機(jī)械性能的影響非常明顯，較高的時(shí)效溫度下，屈服強(qiáng)度σ0.2隨時(shí)效時(shí)間的增加而提高，延伸率δ則會(huì)降低，硬度升高。相反較低的時(shí)效溫度和較短時(shí)效的時(shí)間，屈服強(qiáng)度σ0.2會(huì)偏低，而延伸率δ升高，硬度降低。目前時(shí)效溫度通常選擇130--160