CN110899662A

CN110899662A - 一种低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法

Info

Publication number: CN110899662A
Application number: CN201911148126.2A
Authority: CN
Inventors: 宋炜; 张花蕊; 张虎
Original assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University; Ningbo Institute of Innovation of Beihang University
Current assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University; Ningbo Institute of Innovation of Beihang University
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2020-03-24

Abstract

本发明涉及一种低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，包括以下步骤(1)在模具底模的轮芯位置设置能循环通入冷却介质的冷却流道，所述冷却介质为含有8％～12％质量分数氯化钠的盐水，且通入的压力为0.3MPa‑0.5MPa；在所述冷却介质内还含有缓蚀剂；(2)根据车轮铸件的顺序凝固路径，设计相应的流量，以及开启/关闭冷却介质通入的时间。该种冷却方法对轮芯位置的冷却效率更高。

Description

一种低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法

技术领域

本发明涉及铝合金铸造技术领域，尤其涉及一种低压铸造铝合金车轮轮芯部分的冷却方法。

背景技术

车轮是汽车上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、平稳性及行车安全性。以往的汽车车轮多采用钢材制造，如今随着汽车轻量化进程的不断加快，铝合金车轮正逐步取代传统钢制车轮的主导地位。然而铝合金材料的绝对强度与钢材相比还存在巨大的差距，在苛刻载荷条件下，完全实现车轮“以铝代钢”仍存在很大难度，如重载卡车车轮、大型客车车轮等。因此需要不断地开发、改进铝合金车轮的制造工艺，提高铝制车轮的力学性能，尤其是车轮关键部位的力学性能，进而满足轻量化的发展需求。

目前，铝合金车轮制造的主流工艺为低压铸造。低压铸造铝合金车轮的尺寸一般在14英寸到22.5英寸之间，大多为单件式，车轮典型结构如图1所示，包括轮芯、轮辐、轮辋以及内外轮缘。其中，轮芯部位加工有螺栓孔，总成时装配在车轴上，是车轮与整车连接的重要纽带。车辆实际行驶过程中轮芯部位承受着来自内部和外部种类繁多的载荷，一旦轮芯部位的材料失效，将可能造成车毁人亡的重大事故。铝合金车轮轮芯的壁厚一般在30mm～50mm左右，是车轮铸件中最厚大的部位，也是低压铸造过程中最后凝固的部位。低压铸造的工艺特点及产品的结构特征使得轮芯部位凝固时间长、冷却速度慢，凝固组织粗大、缩松/缩孔缺陷较多(如图2所示为轮芯常见缺陷)，严重影响轮芯部位的力学性能。

为了解决这个问题需要改善车轮轮芯位置的冷却工艺，有公开号为CN206536013U的中国实用新型专利《低压铸造车轮模具底模》公开了一种低压铸造车轮模具底模，包括水道、挡板、进水管接头、出水管接头、联通水管，底模根部靠近热节的位置设置环形水道，水道截面呈U型，距离型腔面25-30mm，水道采取分段式，只在对应轮辐的位置设置，而窗口区域并没有布置，水道均用金属挡板焊接密封，水道上设置进水管接头a、进水管接头b，出水管接头。该种底模利用分段式的水道来加快轮芯位置的冷却，由于该水道是分段式的因此在冷却过程中两段水道之间的位置会冷却不均匀；并且这种水道结构较为复杂，改造现有的模具需要的成本较高。因此需要一种使用的模具结构更简单，冷却效果更好的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种冷却效率更高的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在模具底模的轮芯位置设置能循环通入冷却介质的冷却流道(1)，所述冷却介质为含有8％～12％质量分数氯化钠的盐水，且通入的压力为0.3MPa-0.5MPa；在所述冷却介质内添加缓蚀剂；

(2)根据车轮铸件的顺序凝固路径，设计相应的流量，以及开启/关闭冷却介质通入的时间。

优选的，所述盐水含有10％质量分数氯化钠。

为了传热效果良好的同时便于加工，所述冷却流道(1)设置于所述模具底模的内部，且所述冷却流道(1)为以所述模具底模的中心为圆心的环形，自所述冷却流道(1)的径向向外延伸出对应的入水流道(2)和出水流道(3)。该种模具结构简单，不需要复杂的后续改造，具有良好的应用前景。

为了进一步提高耐腐蚀能力和传热效率，所述冷却流道(1)的内壁结合有铜层。优选的铜层厚度为1-5微米，该铜层可以通过常规的化学镀铜工艺制备。

优选的，所述缓蚀剂包含以下质量分数的组分：20-30％钼酸钠；30-40％磷酸二氢锌；30-40％三乙醇胺磷酸盐。该种缓蚀剂能够良好得减缓盐水对于模具钢的腐蚀，同时30-40％三乙醇胺磷酸盐的加入使得该种缓蚀剂能够同时对于铜层和模具钢均具有良好的耐腐蚀能力，并且20-30％钼酸钠和30-40％三乙醇胺磷酸盐还具有协同缓蚀效果。

优选的，所述缓蚀剂在所述盐水中的含量为0.15％～0.2％质量分数。经过试验该含量的缓蚀剂的缓蚀性能较好。

进一步优选的，所述缓蚀剂在所述盐水中的含量为0.18％质量分数。

进一步优选的，所述缓蚀剂包含以下质量分数的组分：27％钼酸钠；33％磷酸二氢锌；40％三乙醇胺磷酸盐。

与现有技术相比，本发明的优点在于：水作为介质在参与冷却的过程中会依次经历蒸汽阶段、沸腾阶段和对流阶段。在蒸汽阶段，水会在高温金属表面形成一层蒸汽膜，阻碍传热，导致冷却效率降低。本发明采用含有8％～12％质量分数氯化钠的盐水作为冷却介质，盐水在蒸汽阶段形成蒸汽膜的同时，还会析出氯化钠晶体并且会发生爆裂，阻止蒸汽膜的形成，进而增强盐水介质对金属模具的冷却能力，同时为了解决盐水对模具的腐蚀问题，还添加了缓蚀剂，因此使用该种方法冷却效率更高。

附图说明

图1为车轮典型结构示意图；

图2为车轮铸件的车芯处的缩孔/缩松缺陷的示意图；

图3为车轮铸件的车芯处的裂纹缺陷的示意图；

图4为本发明的底模上的冷却流道的轴向剖面示意图；

图5为本发明的底模上的冷却流道的径向剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

本实施例所用模具的材质均为模具钢H13。冷却流道1设置于模具底模的轮芯位置对应的内部，且冷却流道1为以磨具底模的中心为圆心的环形,自冷却流道1的径向向外延伸出对应的入水流道2和出水流道3。冷却流道1内壁上通过常规的化学镀工艺镀了铜层，铜层厚度为1.5微米。

本实施例的模具用于制备一款22.5英寸车轮，材料为A356.2合金，其主要化学成分范围如表1所示。

表1A356.2主要化学成分，wt.％

按本发明方法对实施例1中所述车轮进行试制，具体使用方法如下：

1)前处理：A356.2铝锭经熔化、精炼(细化与变质)、除气、打渣处理，铝液成分满足表1中范围，密度为2.62g/cm³；模具经过喷砂、喷涂料处理后，加热至355℃后上机。

2)压力曲线设定：升液压力21kPa，时间10s；充型压力36kPa，时间16s；增压5s至950kPa，保压200s。

冷却设计：根据实验车轮铸件的凝固路径依次开启/关闭内轮缘-轮辋-轮辐与外轮缘相交(热节)处-轮辐等各处的风/水冷却，当凝固前沿推进至轮芯位置时(约165s)，开启对应的盐水冷却，所用压力为0.35MPa盐水流量为20L/min，持续时间为30s；型内冷却60s。本实施例的盐水含有10％质量分数的氯化钠，0.18％质量分数的缓蚀剂，所述缓蚀剂包含以下质量分数的组分：27％钼酸钠；33％磷酸二氢锌；40％三乙醇胺磷酸盐。

3)打开模具，顶出铸件，完成一个循环。

采用GB/T228.1-2010中所述方法在实施例1铸件的轮芯位置取样；试样经T6热处理后对其组织和力学性能进行检测，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

采用失重法测试本实施例的含有缓蚀剂的盐水对于模具钢H13的缓蚀效果，缓蚀率可以达到92％；采用失重法测试本实施例的含有缓蚀剂的盐水对于纯铜的缓蚀效果，缓蚀率可以达到93％。

并且在本发明的0.15％～0.2％质量分数的缓蚀剂含量，缓蚀剂组分包括(质量分数)：20-30％钼酸钠；30-40％磷酸二氢锌；30-40％三乙醇胺磷酸盐范围内，对于模具钢H13的缓蚀效果，缓蚀率均在90％以上，对于纯铜的缓蚀效果，缓蚀率均在90％以上。

对比例1

对比实施例为实施例1车轮在未采用本发明方法的对比案例，具体使用方法如下：

1)前处理：A356.2铝锭经熔化、精炼(细化与变质)、除气、打渣处理，铝液成分满足表1中范围，密度为2.64g/cm³；模具经过喷砂、喷涂料处理后，加热至350℃后上机。

3)冷却设计：根据实验车轮铸件的凝固路径依次开启/关闭内轮缘-轮辋-轮辐与外轮缘相交(热节)处-轮辐等各处的风/水冷却，当凝固前沿推进至轮芯位置时

(约165s)，开启对应的普通水冷却，水流量为21L/min，持续时间为30s；型内冷却60s。

4)打开模具，顶出铸件，完成一个循环。

采用GB/T228.1-2010中所述方法在对比实施例1铸件的轮芯位置取样，取样位置与实施例1保持一致。试样经T6热处理后对其组织和力学性能进行检测，结果如表3所示。

表3实施例1中所述铸件的力学性能结果

从上述实施例1和对比例1的性能测试可以看到，由于本实施例1提高了轮芯处的冷却效率，因此防止轮芯处的缺陷产生，从而提高了铸件的力学性能。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在模具底模的轮芯位置设置能循环通入冷却介质的冷却流道(1)，所述冷却介质为含有8％～12％质量分数氯化钠的盐水，且通入的压力为0.3MPa-0.5MPa；在所述冷却介质内还含有缓蚀剂；

2.根据权利要求1所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于：所述盐水含有10％质量分数氯化钠。

3.根据权利要求1所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于：所述冷却流道(1)设置于所述模具底模的内部，且所述冷却流道(1)为以所述磨具底模的中心为圆心的环形,自所述冷却流道(1)的径向向外延伸出对应的入水流道(2)和出水流道(3)。

4.根据权利要求3所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于：所述冷却流道(1)的内壁结合有铜层。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于所述缓蚀剂包含以下质量分数的组分：20-30％钼酸钠；30-40％磷酸二氢锌；30-40％三乙醇胺磷酸盐。

6.根据权利要求5所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于：所述缓蚀剂在所述盐水中的含量为0.15％～0.2％质量分数。

7.根据权利要求6所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于：所述缓蚀剂在所述盐水中的含量为0.18％质量分数。

8.根据权利要求7所述的低压铸造铝合金车轮轮芯快速凝固的冷却方法，其特征在于所述缓蚀剂包含以下质量分数的组分：27％钼酸钠；33％磷酸二氢锌；40％三乙醇胺磷酸盐。