廣東南海中南鋁合金輪轂有限公司 張新穎 潘增源 杜士良 吳祖宴
Fig.1 Big offset truck wheel
Fig.2 Ordinary car wheel
反壓鑄造雖然像低壓鑄造那樣，是依靠壓力差使金屬液沿升液管自下而上實(shí)現(xiàn)充型的，但該法的充型和凝固結(jié)晶過程自始至終都是在高壓力場包圍下實(shí)現(xiàn)的，壓力場的作用不僅有效提高了枝晶間的補(bǔ)縮效果，而且明顯提高了H 在鋁液中的溶解度。該法生產(chǎn)的鑄件具有兩大突出優(yōu)點(diǎn)。
Fig.3 Control system
(2) 鑄件表面質(zhì)量好
壓力場的作用，有效提高了H 在鋁液中的溶解度，抑制了鑄件凝固過程中H 成為氣體針孔的析出，明顯減少針孔的形成。鑄件的二次氧化夾雜少，由于型腔中壓力場形成的背壓，抑制了金屬液充填過程中的噴射飛濺，其平穩(wěn)充填效果比低壓鑄造更佳。
Fig.4 Proces curve
摘 要 在特定氣壓力場下實(shí)現(xiàn)鋁液充型和凝固的反壓鑄造技術(shù)，能有效地提高H 在鋁液中的溶解度，抑制鑄件凝固過程中因H 析出而形成針孔的缺陷。同時，壓力場又明顯提高了鑄件與型腔的密著效果，致使鑄件獲得比其它方法更佳的冷卻效果，從而使鑄件具有更細(xì)的結(jié)晶組織，大大提高了材料的致密性和力學(xué)性能。在汽車整體鋁合金車輪中，具有特殊要求的大偏距載重型車輪的研制結(jié)果證明，用該法不僅能滿足中型載重車輪的力學(xué)性能，且能有效適應(yīng)良好鑄造表面的拋光輪、電鍍輪等產(chǎn)品的需要。
關(guān)鍵詞：反壓鑄造 鋁合金 汽車車輪
關(guān)鍵詞：反壓鑄造 鋁合金 汽車車輪
1 前 言
大偏距車輪(如圖1)在力學(xué)結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)輕型車輪
Fig.1 Big offset truck wheel
(如圖2)相比不僅要承受更大載重負(fù)荷，而且要承受更大的彎矩，所以在相同材料和鑄件壁厚的前提下，大偏距車輪必須要有更高的鑄件材料韌性和強(qiáng)度。鑒于傳統(tǒng)輕型車輪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度、韌性指標(biāo)，對大偏距車輪來說，只處于臨界狀態(tài)。如果沒有足夠富余的強(qiáng)度、韌性，是很難滿足車輪實(shí)體在載重汽車上的安全要求，即采用常規(guī)的鑄造工藝來生產(chǎn)這類大偏距載重車輪是很難達(dá)到性能指標(biāo)的，而反壓鑄造是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效途徑。
Fig.2 Ordinary car wheel
反壓鑄造雖然像低壓鑄造那樣，是依靠壓力差使金屬液沿升液管自下而上實(shí)現(xiàn)充型的，但該法的充型和凝固結(jié)晶過程自始至終都是在高壓力場包圍下實(shí)現(xiàn)的，壓力場的作用不僅有效提高了枝晶間的補(bǔ)縮效果，而且明顯提高了H 在鋁液中的溶解度。該法生產(chǎn)的鑄件具有兩大突出優(yōu)點(diǎn)。
(1)組織致密，強(qiáng)度韌性好壓力場提高了枝晶補(bǔ)縮效果，有效提高了鑄件力學(xué)。性能。鑄件在壓力場作用下與型腔有著良好的密著性，具有比低壓鑄件更高的冷卻速度，使結(jié)晶組織更致密。
Fig.3 Control system
(2) 鑄件表面質(zhì)量好
壓力場的作用，有效提高了H 在鋁液中的溶解度，抑制了鑄件凝固過程中H 成為氣體針孔的析出，明顯減少針孔的形成。鑄件的二次氧化夾雜少，由于型腔中壓力場形成的背壓，抑制了金屬液充填過程中的噴射飛濺，其平穩(wěn)充填效果比低壓鑄造更佳。
2 研制過程
2.1 原材料的選用
根據(jù)車輪性能的要求及參照國外生產(chǎn)鋁車輪常用合金材料，采用了A356.2(相當(dāng)于我國的ZL101A)合金。為確保合金變質(zhì)效果的持續(xù)性，采用了鍶(Sr)作為變質(zhì)元素。
2.2 反壓鑄造工藝過程
反壓鑄造工藝按壓差產(chǎn)生的方式分類，有增壓法和減壓法，我公司采用減壓法反壓鑄造工藝來研制大偏距載重汽車鋁車輪，其控制系統(tǒng)如圖3，所實(shí)現(xiàn)的工藝曲線如圖4。其過程可分五個階段。
(1) 進(jìn)氣階段(0-t1)。由于上下筒的有效充氣空間不一樣，需要通過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以求上下筒同時平穩(wěn)進(jìn)氣，減少進(jìn)氣時的壓力差，從而防止升液管內(nèi)液面的上下波動。當(dāng)上下筒壓力到達(dá)設(shè)定值時，停止進(jìn)氣。
Fig.4 Proces curve
(2) 升液充型階段(t1-t2)。整個升液充型過程，采用PLC進(jìn)行控制，壓差ΔP由差壓變送器檢測并轉(zhuǎn)換成氣壓信號，再經(jīng)氣電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成0～10 mA電流信號，電流信號由PLC內(nèi)部的A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(0-2048)，數(shù)字信號與給定的線性信號相比較，經(jīng)數(shù)字PID運(yùn)算后再由PLC的D/A模塊輸出0～10 mA的電流信號給電氣閥門定位器，控制氣動比例調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)上筒排氣，從而使上、下筒間的壓差ΔP按工藝給定的壓差曲線變化，實(shí)現(xiàn)鋁液的線性升液和充型。
(3) ΔP結(jié)晶階段(t2-t3)。當(dāng)壓差ΔP到達(dá)最大設(shè)定值，充型結(jié)束時，上筒停止放氣，鑄件在ΔP壓差下結(jié)晶凝固。
(4) ΔP=0結(jié)晶階段(t3-t4)。當(dāng)鑄件順序凝固至澆口，即鑄件完全凝固后，上、下筒互通，使ΔP=0,鑄件繼續(xù)在系統(tǒng)壓力場下結(jié)晶、冷卻。
(5) P=0冷卻階段(t4-t5)。為保證鑄件有足夠的高溫強(qiáng)度，防止鑄件起模和頂出可能產(chǎn)生的變形，需要有一定的隨模冷卻時間，冷卻時間的長短根據(jù)不同規(guī)格的輪型而變化。
(3) ΔP結(jié)晶階段(t2-t3)。當(dāng)壓差ΔP到達(dá)最大設(shè)定值，充型結(jié)束時，上筒停止放氣，鑄件在ΔP壓差下結(jié)晶凝固。
(4) ΔP=0結(jié)晶階段(t3-t4)。當(dāng)鑄件順序凝固至澆口，即鑄件完全凝固后，上、下筒互通，使ΔP=0,鑄件繼續(xù)在系統(tǒng)壓力場下結(jié)晶、冷卻。
(5) P=0冷卻階段(t4-t5)。為保證鑄件有足夠的高溫強(qiáng)度，防止鑄件起模和頂出可能產(chǎn)生的變形，需要有一定的隨模冷卻時間，冷卻時間的長短根據(jù)不同規(guī)格的輪型而變化。
2.3 反壓鑄造工藝參數(shù)的確定
由于反壓鑄造中系統(tǒng)壓力的大小，直接影響鑄件的補(bǔ)縮能力和鑄件凝固過程中氣體的析出，根據(jù)我廠的設(shè)備情況，選擇系統(tǒng)壓力為0.5 MPa，鑄造過程中充型速度和保壓時間及冷卻時間根據(jù)不同輪型及規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。
在大偏距載重車輪研制的攻關(guān)中，我們還通過下列措施來控制鑄件質(zhì)量。
(1) 合理的鑄件壁厚和模具壁厚設(shè)計鑄造過程中對涂料厚度的控制以求鑄件獲得良好的凝固條件。
(2) 對模具局部過熱區(qū)域采用風(fēng)強(qiáng)制冷卻措施來實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固。
(3) 采用專用的模具預(yù)熱裝置來控制模具預(yù)熱溫度。
(4) 嚴(yán)格控制鋁液的澆注溫度、澆注過程中各級加壓參數(shù)及冷卻參數(shù)以提高鑄件的合格率和生產(chǎn)效率。
在大偏距載重車輪研制的攻關(guān)中，我們還通過下列措施來控制鑄件質(zhì)量。
(1) 合理的鑄件壁厚和模具壁厚設(shè)計鑄造過程中對涂料厚度的控制以求鑄件獲得良好的凝固條件。
(2) 對模具局部過熱區(qū)域采用風(fēng)強(qiáng)制冷卻措施來實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固。
(3) 采用專用的模具預(yù)熱裝置來控制模具預(yù)熱溫度。
(4) 嚴(yán)格控制鋁液的澆注溫度、澆注過程中各級加壓參數(shù)及冷卻參數(shù)以提高鑄件的合格率和生產(chǎn)效率。
2.4 熱處理和機(jī)加工
為達(dá)到車輪的各項(xiàng)性能要求，對鑄件(車輪)進(jìn)行T6處理，即在535±5 ℃下保溫8 h進(jìn)行固溶處理，然后在155±5 ℃下保溫4 h進(jìn)行時效處理。為滿足汽車的裝車特性和汽車高速行駛時的平穩(wěn)性。對車輪進(jìn)行機(jī)加工時，采用了專用工裝、全數(shù)控機(jī)床加工，使得車輪的端跳、徑跳和動平衡得到嚴(yán)格的控制。
2.5 性能分析
(1) 材料力學(xué)性能分析
分別對經(jīng)T6處理后的低壓鑄造和反壓鑄造汽車輪輪輞取樣分析。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1。
分別對經(jīng)T6處理后的低壓鑄造和反壓鑄造汽車輪輪輞取樣分析。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1。
表1 低壓鑄造和反壓鑄造汽車車輪輪輞力學(xué)性能實(shí)測數(shù)據(jù)
Table 1 Analysis of wheel using low-pressurecasting and counter-pressure casting
Table 1 Analysis of wheel using low-pressurecasting and counter-pressure casting
|
編號
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σb/MPa
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δ/%
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|||
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反壓鑄造
|
低壓鑄造
|
反壓鑄造
|
低壓鑄造
|
||
|
1
|
305
|
254
|
14.7
|
8.7
|
|
|
2
|
297
|
262
|
15.3
|
8.1
|
|
|
3
|
295
|
248
|
15.4
|
9.2
|
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4
|
301
|
251
|
14.2
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9.1
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5
|
289
|
243
|
16.0
|
9.4
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從表中可以看出，采用反壓鑄造工藝生產(chǎn)的車輪拉伸強(qiáng)度和延伸率明顯比低壓鑄造高，特別是延伸率提高30%以上。
(2) 成品車輪的綜合性能試驗(yàn)
按德國Tüv標(biāo)準(zhǔn)，對成品車輪分別進(jìn)行了徑向滾動疲勞試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)等破壞性試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2) 成品車輪的綜合性能試驗(yàn)
按德國Tüv標(biāo)準(zhǔn)，對成品車輪分別進(jìn)行了徑向滾動疲勞試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)等破壞性試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.6 反壓鑄造工藝原理分析
合金的凝固補(bǔ)縮過程主要是通過金屬液的流動來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)合金以順序凝固方式凝固時，固-液界面平坦，液相對界面的補(bǔ)縮阻礙較小，促進(jìn)液相流動的驅(qū)動力也較小，但當(dāng)合金以同時凝固方式凝固或凝固區(qū)域較寬時，那么液相的補(bǔ)縮流動是在狹長彎曲的枝晶間進(jìn)行的，流程長、阻力大，造成補(bǔ)縮困難，液相流動需要的驅(qū)動力也較大，尤其是重力鑄造，驅(qū)動力除來自凝固收縮時液相與固相冷卻時的體收縮力外，還有重力，因此，驅(qū)動力很小，流動困難。鑄件容易產(chǎn)生顯微縮松和縮孔。而反壓鑄造，合金的凝固過程始終是在較高的壓力下進(jìn)行的，液相在枝晶間的補(bǔ)縮驅(qū)動力很大，使金屬液能在枝晶間狹窄通道向補(bǔ)縮區(qū)流動。從而使鑄件內(nèi)部不易產(chǎn)生縮松和縮孔。另外，反壓鑄造有使鑄件產(chǎn)生塑性變形的作用。使枝晶和分枝間的顯微孔洞壓合，較大限度地消除鑄件的顯微縮松使鑄件組織致密。所以采用反壓鑄造工藝生產(chǎn)的車輪延伸率、拉伸強(qiáng)度和車輪的綜合性能比其他鑄造方法生產(chǎn)的車輪有明顯提高，能滿足“大偏距載重汽車鋁車輪”的質(zhì)量要求。
3 結(jié) 論
通過對大偏距載重汽車鋁合金車輪的研制，證明反壓鑄造工藝用于高性能要求的鑄件(車輪)是成功的，雖然反壓鑄造設(shè)備投資較大，又有一定的操作難度，但從鑄件獲得的良好性能來看，是其他鑄造工藝無法比擬的。其良好性能除了表現(xiàn)在鑄件組織致密，力學(xué)性能好之外，還體現(xiàn)在車輪經(jīng)機(jī)加工后表面針孔少，適宜進(jìn)一步加工成拋光輪或電鍍輪。
Counter Pressure Casting of Big Offset Truck Load Aluminium Wheel
Zhang Xingying Pan Zhengyun Du Shiliang Wu Zhuyang
(Guangdong Nanhai zhongnan Aluminium Wheel CO. LTD.)
ABSTRACT Counter-Pressure casting technology in given air pressure to realize filling and solidification for aluminium alloy melt can effectively raise dissolvability of H in aluminium alloy, and restrain the casting from forming pin holes due to the separation out of H during casting solidification. At the same time air pressure can obviously improve adherence effects of casting with cavity so as to make casting get better cooling effects than other methods. As a result, the casting gets a smaller crystal structure, thus densification and mechanical properties are greatly improved. This article expounds the research result of big offset load type wheels, which have special requirements in manufacturing integral aluminium wheels for cars. The result proves that the method can satisfy not only mechanical property of midtrucks, but also the need of polishing and plated wheels which require better casting surfaces.
Key Words:Counter-Pressure Casting, Al-Alloy, Wheel
Key Words:Counter-Pressure Casting, Al-Alloy, Wheel
