A356汽车铝轮毂低压铸造技术获得优异性能方法研究

A356汽车铝轮毂低压铸造技术获得优异性能方法研究低压铸造法的雏形可以追溯到上世纪初，特别适用于铝合金。1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。低压铸造法被介绍进我国是1957年左右，但真正引起业界的注意，开始进行各种研究、引进设备是从1960年左右开始的。1970年以后大量应用在轮毂上，并且随着汽车轻量化和提高性能等要求，在以往从未有过的复杂内部品质和机械性质的严格要求下，气缸头、气缸体上的使用也逐渐增加。低压铸造是介于压力与重力铸造之间的一种铸造方法。它的基本原理是：在装有金属液的坩埚中，通入干燥的压缩空气（或惰性气体）于保持一定温度的金属液的表面上，使金属液沿着升液管自下而上通过浇道进入型腔，待金属液充满腔后，增大气压并使液面上的气体压力保持至铸件完全凝固，然后解除压力，使升液管和浇道中末凝固的金属回落到坩埚中，即完成一个低压铸造过程，开型后获得所需的铸件。低压铸造示意图见图1。图1低压铸造示意图低压铸造的特点有：（1）浇注时的压力和速度可以调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。（2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。（3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。（4）省去补缩冒口，金属利用率提高到90～98%。（5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。低压铸造工艺流程包括：升液——将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处。结壳——金属液受型腔接触面冷却形成一层固态金属。增压——金属液充满型腔后，立即进行增压，使金属液处在高于充型压力状态。保压——金属液在压力下凝固。卸压——铸件凝固完毕，卸除坩埚中的压力。根据不同零件的特点在冷却一定时间后开型。低压铸造工艺流程见图2。图2低压铸造工艺流程示意图升液阶段升液阶段充型阶段结壳阶段增压阶段保压阶段卸压阶段开型得到产品铸件A356铝合金低压铸造会出现一些铸造缺陷，例如缩孔缩松缺陷，气孔缺陷，表面粗糙缺陷以及其他一些缺陷。合金在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸件厚大部位形成管状、嗽叭状或分散孔洞称为缩孔；形成细小的孔隙称为缩松。缩孔的相对体积与液态金属的温度、冷却条件等有关。液态金属的温度愈高，则液体与固体之间体积差愈大，而缩孔的体积也愈大。在薄壁铸型中浇注金属时，型壁迅速受热而冷却型壁的空气则是热的不良导体，因此型壁越薄则受热越快，液体金属也越不易冷却，金属液冷凝后产生的缩孔也愈大。总之，液体金属的冷凝条件，对缩孔体积的大小有显著的影响。产生缩松的主要原因与缩孔相同，也是由于金属凝固时的体积收缩所造成。因此在缩孔附近一般常存在着较多的缩松。由于低压铸造是反重力铸造，重力时刻都在阻碍补缩。因而无论对于砂型铸造还是金属型铸造、同时凝固的铸件还是顺序凝固的铸件，液面加压控制系统质量的好坏都是决定铸件致密性的关键。尤其是对于薄壁件金属型铸造，凝固时间本来就不长。当充型至型顶时液态金属中固相部分已经占有相当大的比例，此时应立即急速升压，以便克服重力的负作用，进行补缩。这对铸件致密性是极为关键的。目前有些液面加压控制系统在这关键时刻仍旧按充型速度缓慢加压或压力越高升压速度却越慢，其后果是贻误了补缩的良机。当液态金属凝固结束后，无论增压多大都起不到补缩的作用。铸件补缩不足可导致致密度低，容易产生缩孔与缩松。生产有时补缩压力已经很高（可达0.2MPa），但铸件仍有缩松缺陷，致使打压渗漏率太高。在补缩通道合理时，这主要是因为控制系统增压的时机没控制好，而不是所谓“补缩压力大小对铸件致密性影响不大”的错误说法。例如：某厂试生产一种较大的薄壁件，试制很长时间没铸出合格的铸件。该铸件缩松多、致密性差、打压渗漏严重。当将老式的液面加压控制系统换成闭环反馈的“CLP-3型”低压铸造液面控制系统后，在原工艺没有改变的情况下生产出合格的铸件。由此可见，液面加压控制系统在低压铸造生产中的作用是极其重要的。可通过下表的措施来防止缩孔缩松：序号缩孔缩松预防措施1使铸型温度分布合理，即上部温度低，下部温度高来增加补缩能力。2使铸型自身的热容量分布合理，即下部热容小，上部热容大（即下部型壁薄，上部型壁厚）。3对局部热节处应采用强制冷却，以调节出一个符合补缩的温度场分布。4对局部影响补缩的“冷节”，可在背后的四周钻孔铣槽，然后充填绝热材料，以增大热阻，可给出合理的温度场。5降低充型速度及型温，但要适当，以防出现冷隔及浇不足。6适当降低浇注温度对减少缩松有显著的影响。铸件气孔缺陷主要分为析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔。在低压铸造中，产生气体的根源很多，主要有如下方面：a、存在于型腔中的空气b、湿芯中析出的水蒸气c、烘烤烧毁粘结剂而产生的气体d、从坩埚冲到型腔中的空气或惰性气体e、由于铸型的涂料没有充分烘干而产生的水蒸气f、由于合金中溶解有气体，在冷却过程中析出来的气体。析出性气孔主要均匀分布在内部靠近冒口处、热节温度较高区域，气孔细小且分散经常同缩孔共存。反应性气孔主要均匀分布在型壁与铸件的接触面上，气孔表面光滑，呈银白色（铸钢件），金属光亮色或暗色。侵入性气孔分布在铸件上部，孔洞光滑。从铸造熔炼工艺方面考虑可以采用下列方法预防气孔缺陷的产生。a、任何种类的金属熔炼时间都应尽可能缩短，以防时间过长使液态金属吸气量增大。b、含铝的合金应尽可能不用工频炉熔炼，因为这种炉子的搅拌能力极强，而铝与空气接触很易氧化成Al2O3，并进入液态金属中成为熔渣，也为气体的析出提供机会。同时也容易与H2O发生反应，使液态金属吸入H2气。c、投料时应先投入熔点低的料，依次投入熔点高的料，这样会使金属吸气量小，其原因就在于炉料与空气接触面积和时间均减少。d、液态金属除气后应立即扒渣、浇注，不可停留过久，以防再吸气。在低压铸造中，要特别注意铸型的排气。与一般浇注比较，低压铸造的铸型排气条件比较差，因用于低压铸造的铸型基本上是密封的，金属液的充型速度又比较快，不象一般浇注中能通过明冒口等措施来排气，而低压铸造的铸型只能从分型面处和排气孔中排气。往往因铸型排气不畅而浇不出成形铸件，或者是产生“包气”现象，或者因模具憋气出使铸件轮廓不清，排气不畅会在浇注过程中产生与充型方向相反的“反压力”。使金属液压在上升过程中产生波动，影响铸件质量，因此在低压铸造的铸型设计过程中，除了考虑铸件的顺序凝固外，排气条件是不可忽视的因素。在浇注时，热的金属液进入型腔，型腔中的气体被加热以后，会强烈成倍地增加它的体积，所以在考虑铸型工艺时，要特别着重排除气体产生的根源。例如：砂芯在装配时，潮芯的表面层含水量不应超过5%～6%，而砂芯应有适当的通气道。由于镁合金铸造，型砂和芯砂的附加物，应控制在最低的范围内。用油砂芯应仔细烘烤。金属型表面的涂料层脱落后，应重新喷涂并重新干燥。低压铸造运用金属型时，排气装置通常有：a、排气槽，一般开在分型面上，系三角形，深0.5mm,宽1mm左右;b、排气片，一般用在带叶片的铸件，排气片厚度一片不大于0.2mm,宽度均为100mm左右，排气片根部开口R2的圆角，以便脱型取件时将钻入排气片的铝箔一起脱出，排气片位置一般开在叶片死角和最高处，排气片中心线要求与脱型取件方向一致，最好能有一定的拔模斜度，防止钻进排气片的铝箔断在里面，堵死通道，失去排气作用。c、排气针、排气塞和排气砂孔，可根据铸件的结构特点，在局部铸件的死角采用此法，即在模具里镶进排气塞和梅花状的金属棒，由于排气塞和梅花针状的棒上有细槽和缝隙，气体可以从这此细槽和缝隙中排出，梅花形状的细槽为三角形，深度不超过0.5mm，排气塞根据不同要求，可选用不同的形式，但梅花针和排气塞比较麻烦，需经常拆卸，清除钻进的飞刺，故不被常用，为达到排气效果，也可在原来考虑镶排气针的孔里填进型砂，利用型砂的透气性来排气。该孔不宜太大，直径一般不超过6mm，由于型砂导热性差故不宜开在铸件厚处。d、曲缝隙排气，一般设置在铸件的顶部，即冒口或集渣槽的上部。曲折缝隙对金属流动的阻力是较大的，但对气体的排出则比较通畅，排气效果较好，但要注意取出铸件方便。E、蓄气槽，主要用于排气比较困难的大平面铸件，对这一类铸件，除了考虑其他的排气措施处，在需要加工的大平面上开设蓄气花槽，这种花槽除本身可以储存部分气体外，还沟通了排气通道，有利于型腔中气体的排除，槽的形状也是三角形的。f、涂料蓄气，因为涂料本身也是一种蓄气的有效措施，涂料喷在热模具上会形成微小的毛细疙瘩，这些毛细疙瘩起了“蓄气库”的作用，所以在铸件表面粗糙度允许在情况下，也利用金属液的流动，这里尽量不用发生性强烈的涂料（如石墨油等），通常用氧化锌。总之，排气的方法是多种多样的，只要根据铸件的特点，综合考虑铸件的充型情况，选择合理的排气位置，采取不同的排气措施是能够得到良好的排气条件从而预防气孔缺陷的产生。表面粗糙缺陷是铸件受型壁表面粗糙度的制约使铸件表面光洁度不满足设计、用户要求，从而导致铸件不能合格。表面粗糙缺陷的预防措施主要有如下几点。a、降低铸型温度，使液态金属在充型结壳时容易产生一层硬壳，从而降低砂型铸件表面粗糙度值。b、创造条件使型壁与液态金属之间能产生气膜，这可以显著降低铸件表面粗糙度值。c、使用涂料可改善砂型铸件表面粗糙程度，这是众所周知的。但能减小型壁表面的透气性，以延长型壁上气膜存在时间而达到降低铸件表面粗糙度值的这一机理，却很少被人注意。d、在不影响补缩的前提下，适应减小充型时的压力值，从而减少液态金属浸入砂粒的深度，又可减少排挤气膜的液态金属静压，达到降低铸件表面粗糙值的目的。e、增大液态金属与型壁之间的润湿度。要想获得性能优异的A356铝合金，对其的晶粒大小有较高的要求。细化晶粒对获得优异的组织性能有重大影响。同时，细化处理不仅可以细化晶粒，使组织致密，而且可以减轻铸件的热裂和偏析倾向，降低气孔率，从而显著提高铝合金铸件的力学性能。近年来，随着晶粒细化理论的不断发展，出现了许多细化处理方法，其中最有效、最实用的方法是添加中间合金细化剂。除最常用的Al-Ti-B中间合金外，目前RE元素的变质细化作用逐渐引起研究者和生产厂家的重视。大量实践证明细化处理工艺及中间合金的质量对细化效果具有重要影响。实验表明，Al-Ti-B-RE中间合金中的RE可以有效抑制细化衰退现象，其原因是加入适量的稀土元素能阻止TiB2发生聚集、沉淀，从而延缓衰退；此外，稀土元素La、Ce等能降低铝熔体的表面张力，增加铝熔体对TiB2颗粒表面的扩张系数，既能充分发挥TiB2的异质形核作用，又能防止TiB2的聚集长大。但是，试验方案Ⅳ尽管初期具有明显的细化效果，但细化衰退现象比较显著，表明过量的RE也会干扰细化效果。其原因可能是一方面过量的RE会促进偏聚物的形成，形成夹杂物，从而影响细化效果；另一方面，Al-10RE中间合金中富RE相尺寸明显大于Al-5Ti-1B-10RE中的富RE相(如图2所示)，细化相的原始状态对细化效果会产生一定影响，超过某一临界尺寸的富RE相可能不会有细化作用。

此外RE元素对铝合金显微组织也有重大影响。加入RE元素可以增加铝硅合金共晶转变的过冷度，从而使二次枝晶臂减小；可以降低熔体的表面张力，增加合金凝固时的过冷，从而使枝晶细化；稀土含量只有大于某一临界值(在铝硅合金中约为0.1%～0.15%)后才会在细化晶粒的同时细化枝晶组织，若含量小于临界值，尽管可以显著减小晶粒尺寸，却粗化枝晶组织，并且形成的粗大共晶相在后续热处理过程中也难以消除；RE元素可使铝硅合金的共晶硅相由片条状变成球粒状，并且稀土变质剂具有很好的长效性和重熔稳定性。但是，RE元素对Ti、B的细化作用和Sr的变质作用的影响方面的研究较少。通过实验可以得到如下结论：(1)Al-5Ti-1B-10RE中间合金可有效抑制铝硅合金长时间静置过程中晶粒尺寸的衰退，适合于大批量汽车铝合金铸件的生产。

(2)在试验条件下，Al-5Ti-1B-10RE细化处理后在静置过程中A356.2合金晶粒尺寸减小的同时伴随着显微组织的粗化；Al-5Ti-1B-10RE中间合金中的RE对Ti、B的细化作用和Sr的变质作用均有一定的促进作用。

(3)TP-1型检测法操用简单，结果直观、准确，是一种中间合金细化效果在线检测的有效方法。在实际应用中，经常通过热处理方法来提高铝合金轮毂的性能。铝合金轮毂的热处理强化的主要方法是固溶淬火加人工时效。在Al-Si-Mg合金中，固溶处理的实质在于：将合金加热到尽可能高的温度，并在该温度下保持足够长的时间，使强化相Mg2Si充分溶入α-Al固溶体，随后快速冷却，使高温时的固溶体呈过饱和状态保留到室温。温度愈高，愈接近固相线温度，则固溶处理的效果愈好。固溶处理也会改变共晶Si的形态，随着固溶保持时间的延长，Si相有一个缓慢球化和不断粗化的过程，这种过程随固溶温度的提高而增强。一般铝合金轮毂的固溶温度选择在535--545℃之间，时间为6小时。固溶温度对Si相形态的影响要比保温时间的影响大得多，通过参照相关理论和试验发现，550℃保温100分钟后的Si相形态等同于540℃保温300分钟后的形态，目前中信戴卡公司热处理工序步进式连续炉，除特殊产品有明确要求外，均采用固溶550℃保温140分钟左右的热处理工艺。当然，选择的是较高的固溶温度，对设备稳定性的要求也很高，炉膛内各部温度要均匀，否则局部温度过高，会导致部分产品过热、过烧。铝合金轮毂淬火时的水温一般选择在60--80℃之间，而且水的状态对机械性能也有一定影响，这是因为轮毂淬火时水温升高，工件表面局部水气化的可能性增大，一旦气囊形成，冷速就明显降低，这会使机械性能降低，因而在工件淬火的情况下，必须要开启水循环装置（搅拌器、循环泵等），使水箱内的水处于流动状态，水温均匀，工件表面没有形成气囊的机会，保持一定的冷却速度，确保淬火效果控制淬火的转移时间对Mg2Si强化相的分布很重要，转移时间长会使强化元素扩散析出而降低合金的力学性能，所以转移时间越短越好，这也是生产实际中为什么要求转移时间控制在20s之内的原因。淬火后人工时效温度的选择，对轮毂机械性能的影响非常明显，较高的时效温度下，屈服强度σ0.2随时效时间的增加而提高，延伸率δ则会降低，硬度升高。相反较低的时效温度和较短时效的时间，屈服强度σ0.2会偏低，而延伸率δ升高，硬度降低。目前时效温度通常选择130--160