CN110303136B - 一种提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：包括下列步骤：在升液阶段使保温炉内的铝液升至车轮模具的浇口附近；开启车轮模具的上模靠近内轮缘处的风冷；在充型阶段使浇口附近的铝液平稳充满整个模具型腔；开启车轮模具的边模上靠近外轮缘处的水冷；在增压阶段采取快速增压方式；保压；当凝固前沿推进至车轮模具的轮辐区域时，分别开启上模上靠近轮辐处的水冷和风冷；开启分流锥处的冷却水；当轮辐部位完成凝固后开启车路模具的下模上靠近轮芯处的水冷；冷却，打开模具，顶出铸件。本发明可以有效地消除低压铸造车轮中常见的“R”角缺陷，显著地提高轮芯和轮辐两个关键部位的力学性能，特别适用于生产大尺寸铝合金车轮。

Description

一种提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，更特别地说，是一种可以大幅提高铝合金车轮，尤其是大尺寸铝合金车轮轮芯和轮辐部位力学性能的方法。
背景技术
汽车车轮是非常重要的承载件和安保件，直接影响整车的操控性、制动性、平稳性和舒适性。车轮的服役环境要求其具备高承载力、高疲劳、高精度以及低重量等性能。以往的汽车车轮多采用钢制材料制造，而如今随着汽车轻量化进程不断加快，以及铝合金车轮在尺寸精度、散热性、整车安全性、款式等方面优势的突显，铝制车轮正逐步取代传统钢制车轮的主导地位。
目前，国内外铝合金车轮主要采用铸造和锻造两种工艺生产。锻造铝合金车轮具有重量轻、组织致密、性能优良等优点，但锻造工艺的设备投资大，加工工时长，导致制造成本高，价格昂贵。铝合金车轮铸造工艺主要包括金属型重力铸造、低压铸造、旋压铸造及挤压铸造等。低压铸造工艺可使铝液平稳充型，避免二次氧化，且铝液在一定压力下凝固成型，在一定程度上可以减少疏松缩孔等缺陷；此外，低压铸造还具有工艺可控性强、加工余量小、生产效率高、易实现自动化等优点，是目前制造铝合金车轮的主流工艺。然而，低压铸造虽可以解决铝液平稳充型的难题，但仍存在凝固补缩不足的问题，导致铸件组织的致密度低，缩松缩孔缺陷多，严重限制了车轮铸件性能的提高，成为制约低压铸造生产高品质、高性能、大尺寸铝合金车轮的技术瓶颈。
常用铝合金车轮直径大约在14英寸到24英寸之间，车轮铸件典型结构如图1所示，包括轮芯、轮辐、轮辋、外轮缘及内轮缘。其中轮芯壁厚一般为25mm~50mm，轮辐壁厚一般为5mm~20mm，轮辐与轮辋交界处存在热节，热节尺寸一般为25mm~35mm。铸件壁厚突变大导致其较难实现顺序凝固，轮辐与轮辋交界处常常因补缩不足而产生缩松/缩孔缺陷（如图2所示为车轮常见的R角缺陷），严重影响车轮，尤其是大尺寸车轮的力学性能。
在低压铸造过程中，凝固补缩动力可由公式（1）来描述。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为补缩速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为晶粒平均直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为补缩通道内径，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为金属液的动力粘度，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为补缩通道长度与固相骨架厚度之比，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为金属液的表面张力，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为金属液的重度，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为两相区的温度梯度，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为合金的结晶温度区间。
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
成正比，与
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
成反比，决定合金补缩能力的关键是
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
；而
Figure DEST_PATH_IMAGE026
远大于，远大于
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
，因而决定
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
的主导量是
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
。在实际生产中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
都是无法改变的，可控变量只有
Figure DEST_PATH_IMAGE026AA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE032
。为了增强补缩能力，只有在铸造过程中提高补缩压力
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAA
以及增强温度梯度
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
。
发明内容
本发明针对大尺寸铝合金汽车车轮在低压铸造过程中补缩不足的问题，提出一种提高大尺寸铝合金汽车车轮力学性能的铸造方法，该铸造方法是在轮芯至轮辐方向上采用大梯度冷却设计及结合铸件凝固路径实施增压补缩。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高大尺寸铝合金汽车车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：依次包括下列步骤：
步骤（1），在升液阶段调节增压压力至19kPa~21kPa，使铸造机的保温炉内的铝液在19kPa~21kPa压力作用下沿升液管升至车轮模具的浇口附近；升液结束后立即开启所述车轮模具的上模上靠近内轮缘处的风冷；
步骤（2），在充型阶段调节增压压力至32kPa~38kPa，使所述浇口附近的铝液在32kPa~38kPa压力作用下平稳充满整个模具型腔；充型结束后立即开启所述车轮模具的边模上靠近外轮缘处的水冷；
步骤（3），在增压阶段采取快速增压方式，使增压压力在5s~8s内升至100kPa~400kPa；
步骤（4），在保压阶段保持100kPa~400kPa的保压压力160s~180s；在保压进行130s~150s后，当凝固前沿推进至所述车轮模具的轮辐区域时，分别开启所述上模上靠近轮辐处的水冷和风冷，水冷的冷却时间持续35~45s，风冷的冷却时间持续15~25s；在保压进行135s~155s后，开启分流锥处的冷却水，冷却时间持续20s~30s；在保压进行150s~170s后，当轮辐部位完成凝固后开启所述车路模具的下模上靠近轮芯处的水冷，冷却时间持续20s~30s；
步骤（5），在模具型腔内冷却阶段，使铸件在所述车轮模具内冷却40s~60s；最后，打开车轮模具，顶出铸件。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，在所述步骤（1）中，铝液沿升液管以93mm/s~103mm/s的升液速度升至车轮模具的浇口附近；风冷的冷却时间持续140~160s，流量调节至45~55Nm3/h。
2、上述方案中，在所述步骤（2）中，铝液以45mm/s~60mm/s的充型速度平稳充满整个模具型腔；水冷的冷却时间持续195s~205s，流量调节至13~17L/min。
3、上述方案中，在所述步骤（4）中，所述上模上靠近轮辐处的水冷的流量调节至8~12L/min，所述上模上靠近轮辐处的风冷的流量调节至60~80Nm3/h；所述分流锥处的冷却水的流量调节至13~17L/min；所述下模上靠近轮芯处的水冷的流量调节至18~22L/min。
4、上述方案中，所述水冷是指用冷却水冷却，风冷是指用空气冷却，在车轮模具的周围环绕有冷却水管和冷却风管，有喷嘴喷射水雾至模具上。
5、上述方案中，所述车轮模具为分体式模具，由上模、下模和多个边模组成。
本发明的设计特点以及有益效果：本发明在低压金属型铸造工艺的基础上进行了升级和优化，主要涉及模具冷却工艺设计以及在增压阶段依据车轮铸件凝固路径实施增压补缩两个技术要点。本发明针对车轮铸件结构特点和凝固路径进行冷却工艺设计，模具冷却布局如图3所示。该方案首先在模具底模轮辐位置填充相当于轮辐两倍壁厚的保温材料，保温材料可以是硅酸铝保温棉也可以是其它保温材料。模具冷却布局采用大梯度冷却工艺设计，基于车轮铸件凝固路径的模拟结果依次开启/关闭各冷却通道，并调节相应的冷却流量。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
（1）在底模轮辐处填充相当于轮辐两倍壁厚的保温材料，可以提高轮辐位置模具的储热性，改善轮辐部位铝液的流动性以及确保铸件在轮辐方向上的补缩通道畅通，有利于消除轮辐薄区的缺陷。
（2）依据铸件的凝固路径依次开启从热节至轮芯方向上的冷却，促使底模形成较大的温度梯度，可以提高轮芯至轮辐方向上的补缩能力，尤其增强轮辐和热节部位的补缩，也为压力补缩创造更有利的条件。
（3）依据铸件的凝固路径，特别在轮辋完成凝固后，立即对轮辐与轮辋交界处实施水冷，使热节处的温度场与周围达到平衡，以此消除车轮铸件常见的“R”角缺陷。
（4）依据铸件的凝固路径，特别在轮辐完成凝固后，立即对轮芯部位实施短时间强水冷，促使厚大的轮芯部位在较短时间内完成凝固。
（5）本发明中的增压技术主要用来辅助所设计的冷却方案，在充型完成后实施快速增压，增压压力为100kPa~400kPa，并使铸件在100kPa~400kPa的压力下保压凝固。在充型结束时轮芯、轮辐、热节及部分轮辋尚未凝固，轮辐作为铸件的主要补缩通道正处于通畅状态，此时快速增压可使铸件在较大的温度梯度以及较高的补缩压力条件下进行凝固，既可实现铸件顺序凝固，又可显著增强铸件凝固补缩，铸件抗拉强度可提高13%以上，延伸率可提高80%以上。
总之，本发明的铸造方法可以有效地消除低压铸造车轮中常见的“R”角缺陷，更为有效地保证大尺寸车轮铸件的顺序凝固，提高铸件的补缩效率，尤其是能显著地提高轮芯和轮辐两个关键部位铸件的力学性能，特别适用于生产大尺寸铝合金车轮。
附图说明
附图1为汽车车轮铸件的典型结构图；
附图2为车轮轮辐与轮辋交界处的R角缺陷图，轮辐与轮辋交界处常常因补缩不足而产生缩松/缩孔缺陷；
附图3为本发明的车轮模具的冷却布局图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种提高大尺寸铝合金汽车车轮力学性能的铸造方法
实施对象为某款20英寸汽车车轮，材料为A356.2合金，成分范围如表1所示。该款车轮采用传统低压铸造进行生产时常见的缺陷为轮辐缺陷和“R”角缺陷。轮辐缺陷主要是由于该款车轮的轮辐处壁厚薄，当模具温度场控制不当时，轮辐薄区四周先凝固，薄区心部凝固较晚的区域就会因缺少铝液补缩而产生缩松。“R”角缺陷主要发生在轮辐与轮辋的交界处，该处热节厚大，并且是铸件薄厚过渡的区域，该部位常因缺少补缩而形成缩孔缺陷。
表1：A356.2主要化学成分，wt.%
Si Mg Fe Cu Ti Zn Mn
6.5~7.5 0.25~0.45 ≤0.2 ≤0.1 ≤0.2 ≤0.1 ≤0.1
按照本发明方法对实施例1中所述车轮进行生产，车轮模具的冷却布局参见附图3所示，具体使用方法如下：
前处理：A356.2铝锭经熔化、精炼（细化与变质）、除气，铝液成分满足表1中范围，密度为2.63g/cm3；模具经过喷砂、喷涂料处理后，加热至350℃后上机。
升液阶段：调节压力至21kPa，使保温炉内的铝液在21kPa的压力作用下沿升液管以103mm/s的升液速度升至车轮模具的浇口附近，随后开启上模上靠近内轮缘S5处的风冷，冷却时间持续150s，流量调节至50Nm3/h。
充型阶段：调节压力至36kPa，使模具浇口处的铝液在36kPa压力作用下以50mm/s的充型速度平稳充满整个模具型腔；充型完成25s左右，开启X2处的循环冷却水，冷却时间持续200s，随后开启边模靠近外轮缘的B1~B4四处水冷，冷却时间持续200s，流量调节至15L/min。
增压阶段：采取快速增压，使压力在8s左右升至400kPa。
保压阶段：使铸件在400kPa的压力保压180s；在保压进行130s后，分别开启上模靠近轮辐的S2处水冷和S3处风冷，冷却时间分别持续40s和20s，流量分别调节至10L/min和70Nm3/h；在保压进行135s后，开启分流锥S1处的冷却水，冷却时间持续24s，流量调节至15L/min；在保压进行160s后，开启下模靠近轮芯的X1处水冷，冷却时间持续25s，流量调节至20L/min。
型内冷却阶段：使铸件在模具内冷却40s。
开模取件：打开模具，顶出铸件。
采用GB/T228.1-2010中所述方法对实施例1铸件的轮芯和轮辐位置进行取样，试样经T6热处理后对其力学性能进行检测，检测结果如表2所示。
表2：实施例1中所述铸件的力学性能结果
Figure DEST_PATH_IMAGE034
对比实施例1
对比实施例1为实施例1车轮采用传统低压铸造工艺所生产的铸件，保压压力为80kPa，保压200s，模具与工艺设计未改进。采用GB/T228.1-2010中所述方法对对比实施例中铸件的轮芯和轮辐位置进行取样，取样位置与实施例1一致，试样经T6热处理后对其力学性能进行检测，检测结果如表3所示。
表3：对比实施例1中所述铸件的力学性能结果
Figure DEST_PATH_IMAGE036
实施例2：一种提高大尺寸铝合金汽车车轮力学性能的铸造方法
实施对象为某款20英寸汽车车轮，材料为A356.2合金，成分范围如表1所示。该款车轮采用传统低压铸造进行生产时常见的缺陷与实施例1相似，主要为轮辐缺陷和“R”角缺陷。
按照本发明方法对实施例2中所述车轮进行试制，车轮模具的冷却布局参见附图3所示，具体使用方法如下：
前处理：A356.2铝锭经熔化、精炼（细化与变质）、除气，铝液成分满足表1中范围，密度为2.61g/cm3；模具经过喷砂、喷涂料处理后，加热至365℃后上机。
升液阶段：调节压力至20kPa，使保温炉内的铝液在20kPa的压力作用下沿升液管以101mm/s的升液速度升至车轮模具的浇口附近，随后开启上模上靠近内轮缘S5处的风冷，冷却时间持续150s，流量调节至55Nm3/h。
充型阶段：调节压力至37kPa，使模具浇口处的铝液在37kPa压力作用下以55mm/s的充型速度平稳充满整个模具型腔；充型完成25s左右，开启X2处的循环冷却水，冷却时间持续205s，随后开启边模靠近外轮缘的B1~B4四处水冷，冷却时间持续200s，流量调节至16L/min。
增压阶段：采取快速增压，使压力在8s左右升至400kPa。
保压阶段：使铸件在400kPa的压力保压160s；在保压进行130s后，分别开启上模靠近轮辐的S2处水冷和S3处风冷，冷却时间分别持续35s和20s，流量分别调节至12L/min和75Nm3/h；在保压进行135s后，开启分流锥S1处的冷却水，冷却时间持续20s，流量调节至17L/min；在保压进行150s后，开启下模靠近轮芯的X1处水冷，冷却时间持续23s，流量调节至22L/min。
型内冷却阶段：使铸件在模具内冷却50s。
开模取件：打开模具，顶出铸件。
采用GB/T228.1-2010中所述方法对实施例2铸件的轮芯和轮辐位置进行取样，试样经T6热处理后对其力学性能进行检测，检测结果如表4所示。
表4：实施例2中所述铸件的力学性能结果
Figure DEST_PATH_IMAGE038
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：依次包括下列步骤：
步骤(1)，在升液阶段调节增压压力至19kPa～21kPa，使铸造机的保温炉内的铝液在19kPa～21kPa压力作用下沿升液管升至车轮模具的浇口附近；升液结束后立即开启所述车轮模具的上模上靠近内轮缘处的风冷；
步骤(2)，在充型阶段调节增压压力至32kPa～38kPa，使所述浇口附近的铝液在32kPa～38kPa压力作用下平稳充满整个模具型腔；充型结束后立即开启所述车轮模具的边模上靠近外轮缘处的水冷；
步骤(3)，在增压阶段采取快速增压方式，使增压压力在5s～8s内升至100kPa～400kPa；
步骤(4)，在保压阶段保持100kPa～400kPa的保压压力160s～180s；在保压进行130s～150s后，当凝固前沿推进至所述车轮模具的轮辐区域时，分别开启所述上模上靠近轮辐处的水冷和风冷，水冷的冷却时间持续35～45s，风冷的冷却时间持续15～25s；在保压进行135s～155s后，开启分流锥处的冷却水，冷却时间持续20s～30s；在保压进行150s～170s后，当轮辐部位完成凝固后开启所述车轮模具的下模上靠近轮芯处的水冷，冷却时间持续20s～30s；
步骤(5)，在模具型腔内冷却阶段，使铸件在所述车轮模具内冷却40s～60s；最后，打开车轮模具，顶出铸件；在所述步骤(1)的升液阶段之前，在所述车轮模具的下模轮辐位置填充相当于轮辐两倍壁厚的保温材料。
2.根据权利要求1所述的提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，铝液沿升液管以93mm/s～103mm/s的升液速度升至车轮模具的浇口附近；风冷的冷却时间持续140～160s，流量调节至45～55Nm3/h。
3.根据权利要求1所述的提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，铝液以45mm/s～60mm/s的充型速度平稳充满整个模具型腔；水冷的冷却时间持续195s～205s，流量调节至13～17L/min。
4.根据权利要求1所述的提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所述上模上靠近轮辐处的水冷的流量调节至8～12L/min，所述上模上靠近轮辐处的风冷的流量调节至60～80Nm3/h；所述分流锥处的冷却水的流量调节至13～17L/min；所述下模上靠近轮芯处的水冷的流量调节至18～22L/min。
5.根据权利要求1所述的提高大尺寸铝合金车轮力学性能的铸造方法，其特征在于：所述保温材料为硅酸铝保温棉。
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