對(duì)低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋形成原因進(jìn)行分析
對(duì)低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋形成原因進(jìn)行分析
對(duì)低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋形成原因進(jìn)行分析，就影響裂紋產(chǎn)生的各種因素，如鑄件結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、模具溫度等進(jìn)行研究，通過(guò)合理控制和調(diào)整這些因素，消除裂紋對(duì)輪轂鑄件的影響，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。鋁合金輪轂具有許多鋼質(zhì)輪轂無(wú)法比擬的特性，因此鋁合金輪轂在轎車、摩托車等車輛上已開始廣泛應(yīng)用。到2002年，我國(guó)轎車鋁合金輪轂的裝車率已接近45％。由于汽車輪轂質(zhì)量要求較高，本身結(jié)構(gòu)又適合于低壓鑄造，且需求量大，因此，極大地推動(dòng)了低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展。目前，低壓鑄造已成為鋁合金輪轂生產(chǎn)的主要工藝方法，國(guó)內(nèi)的鋁合金輪轂制造企業(yè)多數(shù)采用此工藝生產(chǎn)。
低壓鑄造可實(shí)現(xiàn)高度機(jī)械化、自動(dòng)化，既提高生產(chǎn)率（10～15型/h），又可減少眾多的不利于生產(chǎn)工藝的人為因素，提高成品率，且可大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。然而低壓鑄造件的質(zhì)量受到諸如工藝方案、工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)及人工操作等因素，以及它們之間的相互影響，任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不合理或操作不當(dāng)都有可能導(dǎo)致低壓鑄造件產(chǎn)生缺陷。其中，鋁合金輪轂裂紋的產(chǎn)生是影響企業(yè)生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率的重要因素，且輪轂裂紋是汽車安全性的重大隱患。因此，對(duì)低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋成因的探討就顯得尤為重要。
一、低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋形成的原因
低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋主要產(chǎn)生在應(yīng)力集中的部位，或輪轂頂出時(shí)因受力不均，或升液管處液體凝固造成的開裂。裂紋一般分為冷裂和熱裂兩種。
冷裂紋是指合金在低于其固相線溫度時(shí)形成的裂紋。通俗地說(shuō)，冷裂是鑄件冷卻到低溫時(shí)，作用在鑄件上的鑄造應(yīng)力超過(guò)鑄件本身強(qiáng)度或塑性所允許的程度而產(chǎn)生的。冷裂多在鑄件表面上出現(xiàn)，裂口表面有輕微的氧化；而熱裂通常認(rèn)為是在合金凝固過(guò)程中產(chǎn)生的，由于型壁的傳熱作用，鑄件總是從表面開始凝固的。當(dāng)鑄件表面出現(xiàn)大量的枝品并搭接成完整的骨架時(shí)，鑄件就會(huì)出現(xiàn)固態(tài)收縮（常以線收縮表示）。但此時(shí)枝晶之間還存在一層尚未凝固的液體金屬薄膜（液膜），如果鑄件的收縮不受任何阻礙，那么枝晶層不受力的作用，可以自由收縮，也就不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力。當(dāng)枝晶層的收縮受到阻礙時(shí)，不能自由收縮或受到拉力的作用，就會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，這時(shí)枝晶間的液膜將受到拉伸的作用而變形。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)液膜的強(qiáng)度極限時(shí)，枝晶間就會(huì)被拉開。但是被拉裂部分的周圍還存在一些液體金屬，如果液膜被拉開的速度很慢，且周圍有足夠的液體并及時(shí)流人拉裂處，那么拉裂處將得到填補(bǔ)和“愈合”，鑄件不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。如果拉裂處不能重新“愈合”，鑄件就會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。熱裂斷口處表面被強(qiáng)烈氧化，呈現(xiàn)無(wú)金屬光澤的暗色或黑色。
二、影響裂紋產(chǎn)生的主要因素
對(duì)于同一種合金，輪轂是否產(chǎn)生裂紋，往往取決于輪轂結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和模具溫度等因素。
1.輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)對(duì)輪轂裂紋的影響
?。?）內(nèi)圓角大小不當(dāng)，是輪轂產(chǎn)生熱裂紋最普遍的原因，因?yàn)檩嗇炘诶鋮s時(shí)尖角處會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。在內(nèi)圓角小的部位，即使補(bǔ)縮良好不出現(xiàn)縮裂，也會(huì)產(chǎn)生熱裂。
?。?）輪轂截面驟然改變，會(huì)導(dǎo)致冷卻速度快慢不一，即使補(bǔ)縮良好也會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，使輪轂?zāi)毯蟪霈F(xiàn)裂口或裂紋。
2.工藝參數(shù)不合理對(duì)輪轂裂紋的影響
在低壓鑄造中，由于保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或升液管過(guò)長(zhǎng)造成升液管內(nèi)液體出現(xiàn)凝固，在輪轂鑄件頂出時(shí)承受一定的拉力，從而造成輪轂產(chǎn)生冷裂。因此設(shè)計(jì)合理的保壓時(shí)間和升液系統(tǒng)，對(duì)減少輪轂在頂出時(shí)造成的開裂有十分重要的意義。
3.具溫度對(duì)輪轂裂紋的影響
低壓鑄造的模具溫度決定合金液的凝固方式，并直接影響鑄件的內(nèi)部和表面狀況，是鑄件產(chǎn)生尺寸偏差及變形等諸多缺陷的主要原因之一，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)率也有很大的影響。模具溫度隨著鑄件重量、壓鑄周期、壓鑄溫度及模具冷卻方式等的變化而改變。
從傳熱學(xué)角度來(lái)看，提高模具溫度可降低金屬與模具之間的換熱強(qiáng)度，延長(zhǎng)了流動(dòng)時(shí)間。也有研究表明，提高模具溫度還略能降低金屬液與鑄型之間的界面張力。隨著模具溫度的增加，充型時(shí)間略減少，即充填能力隨著模具溫度的升高而增加。因此模具溫度的適當(dāng)升高有利于應(yīng)力的減小，如果模具溫度過(guò)低，鑄件在金屬型中冷卻過(guò)快，鑄件各部分之間的凝固速度不同，會(huì)使鑄模內(nèi)鑄件的冷卻不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形，結(jié)果導(dǎo)致在鑄件成品上產(chǎn)生熱裂及較大的殘余應(yīng)力和殘余變形，坦較高的摸具溫度不利于得到結(jié)晶細(xì)小的組織，液態(tài)金屬容易吸氣和收縮，使鑄件產(chǎn)生氣孔、縮松和縮孔等缺陷的機(jī)會(huì)增加。為將這一矛盾統(tǒng)一化，可在不出現(xiàn)鑄造缺陷的情況下，適當(dāng)提高模具溫度。
三、改進(jìn)措施
（1）合理設(shè)計(jì)升液系統(tǒng)由于保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或升液管過(guò)長(zhǎng)造成升液管內(nèi)液體出現(xiàn)凝固，使輪轂鑄件在頂出時(shí)承受一定的拉力，從而造成輪轂產(chǎn)生冷裂，因此設(shè)計(jì)合理的升液系統(tǒng)對(duì)減少裂紋傾向具有十分重要的意義。升液系統(tǒng)是指澆注時(shí)液態(tài)金屬由坩堝進(jìn)入型腔的通道，包括升液管、保溫套和鑄件澆注系統(tǒng)。這幾部分的尺寸直接影響坩堝內(nèi)液面到鑄件內(nèi)澆口之間的距離。這段距離越長(zhǎng)，則澆注時(shí)液態(tài)金屬通過(guò)這段距離時(shí)降溫越快，極易造成升液管通道早期凝同。因此應(yīng)注意：①縮短坩堝內(nèi)液面到鑄件內(nèi)澆口之間的距離。這段距離涉及到設(shè)備、工藝、模具等幾個(gè)方面，所以要綜合考慮，應(yīng)以減短這段距離為宜。②改進(jìn)保溫套。適當(dāng)加大保溫套商徑，以便擴(kuò)大保溫層厚度；采用保溫性能好的材料作保溫套，如硅酸鋁纖維氈。③升液管直徑適當(dāng)加大。為防止升液管早期凝固，應(yīng)適當(dāng)加大升液管的直徑。
?。?）設(shè)計(jì)合理的輪轂結(jié)構(gòu)任進(jìn)行輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免尖角結(jié)構(gòu)和截面的驟然改變，宜采用圓角或厚度均勻的結(jié)構(gòu)。
?。?）在不出現(xiàn)鑄造缺陷的情況下，適當(dāng)提高模具溫度。