低压铸造铝合金轮毂内部缺陷分析
及其改进措施的研究
贾晓飞，王志峰，赵阳，张亮，赵维民
（河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130）
摘要：本文对低压铸造A356铝合金轮毂内部缺陷进行了分析，对轮毂各个部位的微观组织和力学性能以及试样拉伸断口形貌进行了检测，结果表明：轮辐和轮心部位α-Al的二次枝晶臂间距分别为48μm和55μm，易出现少量的缩孔、缩松以及气孔等铸造缺陷，局部区域存在变质不良的Si相及针状、鱼骨状的铁基化合物；外胎圈座附近易出现偏析现象，造成局部性能不佳；轮缘部位晶粒细小，Si相变质良好。为提高产品质量，本文总结了压铸铝轮毂组织中易出现的各种缺陷并提出相应的改进措施。
关键词：A356铝合金；低压铸造；轮毂；缺陷
Research on Defects and Improved Measures of low Pressure Casting of A356 Aluminum Alloy Wheels
JIA Xiao-fei , WANG Zhi-feng , ZHAO Yang , ZHANG Liang , ZHAO Wei-min (School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China) Abstract: The defects of low pressure casting A356 aluminum alloy wheels were investigated. The microstructure, mechanical properties and tensile fracture images of the different position on wheels were observed and analyzed. The results showed that the average Secondary Dendrite Arm Spacing (SDAS) of wheel rib and wheel center were 48μm and 55μm respectively. The casting defects including shrinkage cavity, shrinkage porosity and pore were discovered in wheel rib and wheel center. Moreover, the bad modification effect to eutectic silicon, needle-like and fishbone iron bearing compound, segregation of eutectic silicon in some regions were existed, which could affect the over-all properties of wheels, but the fine grain and well modification effect to eutectic silicon were existed in the wheel rim. To improve the quality, the defects and improved measures of low Pressure castings aluminum alloy wheels were discussed in this paper.
Key words: A356 alloy;low pressure die casting;wheel;defect
A356铝合金是常用的铸造铝-硅-镁系合金，铸造流动性好、收缩率和热裂倾向小，质量轻，价格适中，回收率高，成为汽车减重的首选材料，经过细化变质和T6热处理后[1-3]，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能等。大量用于制造车身、骨架以及轮毂等重要的汽车零部件[4,5]。目前铝合金轮毂的制造方法主要有铸造(主要为重力铸造和低压铸造)和锻造。重力铸造生产的轮毂力学性能较低，且极易出现较多的铸造缺陷；锻造生产的轮毂力学性能高，但成品率低，仅50 %左右，价格昂贵。而应用于普通摩托车、轻型轿车较多的是低压铸造的铝合金轮毂，成品率高，成本较低，综合性能相对较好。铸态A356等合金相主要有α-Al基体、共晶Si、强化相Mg2Si、铁基化合物粒子及组织内部诸如缩孔、缩松、气孔和夹杂物等缺陷[6]。本文对低压铸造A356铝合金轮毂不同部位的组织和性能进行检测，分析了轮毂组织中各种缺陷产生的
原因并提出相应的改进措施，为生产出高质量、轻量化的铝合金轮毂提供技术支持。
1实验内容及方法
本文试验材料是由中信戴卡轮毂制造股份有限公司提供的低压铸造A356铝合金轮毂，轮毂的热处理工艺为550℃×135s固溶处理+84℃×55s水温淬火+135℃×135s时效处理。该轮毂的剖切面和试验的取样位置见图1所示。在该轮毂的各部位取样进行化学成分检测，采用ARL-3460光谱仪进行多点测试，如表1所示。
表1 A356铝合金轮毂化学成分
元素 Si Mg Ti Sr Fe Mn Ca Cu Zn 其它 Al
轮辐 6.53 0.3070.149 0.017 0.138 0.0120.00120.0050.007 ＜0.01
余量
轮心 6.57 0.2850.148 0.017 0.125 0.0060.00350.0020.004 ＜0.01余量胎圈座 7.75 0.2990.118 0.019 0.132 0.0060.002 0.0020.004 ＜0.01余量
对铝合金轮毂按图1的位置进行取样，分别在轮心、轮辐、外胎圈座、轮辋、轮缘等部位取样，试样直径Φ＝6mm，标距L o＝30mm，在Zwick/Roell Z100万能材料试验机上进行力学性能测试。使用浓度为0.5%的HF溶液对试样进行腐蚀，在Axio observer Alm光学显微镜下进行显微组织观察，并拍照记录各部位的显微组织变化及缺陷，并利用组织照片计算其二次枝晶间距。利用日本日立公司的S4800-L扫描电子显微镜对拉伸断口进行观察。
图1 铝合金轮毂剖切面及检测取样位置图
2 结果与讨论
由于铝合金熔炼工艺、压铸工艺和冷却系统不同，从而导致轮毂各部位出现的缺陷种类不同，影响其性能的程度也不一。有文献研究表明铸造铝合金包含的缺陷如缩孔、缩松、氧化膜和非金属夹杂物等缺陷对铸件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的缺陷将导致其疲劳寿命降低50%，疲劳极限降低20%[ 7,8]。根据多次检测的结果，本文总结了铝合金轮毂易出现的几种缺陷，对缺陷进行了分类并分析其可能出现的原因。
2.1 缩孔、缩松
缩孔和缩松缺陷是压铸轮毂中不可避免的一类缺陷。显微组织中呈现孔洞形状不规则，不光滑，大而
集中的为缩孔，小而分散的为缩松。一般铝合金轮毂内部出现尺寸较小的缩孔和缩松经X光探伤检测很难被找到，因而，此缺陷在一定程度上造成轮毂机械性能较差。
(a)缩孔；(b)-(c)缩松；(d)气孔
图2 缩孔、缩松及气孔的光学显微照片及断口缩松扫描电镜照片
压铸件在凝固的过程中会发生三种收缩：一是液态体积收缩，金属液由浇注温度降至合金的液相线温度时所发生的体积缩减；二是凝固时期的体积收缩，即液固并存时期发生的体积缩减；三是固态体收缩，从现收缩温度降至常温所发生的体积缩减。此缺陷的产生主要是合金液补缩不足造成的。压铸过程金属液的流动方向见图1所示的箭头的方向。轮心处设置的冒口也是浇口，轮辐相当于横浇道，铝液经浇口流向轮辐和其它部位，为保证铝液充型和顺序凝固，在轮辐的根部就会产生热节。其次，轮心和轮辐部位由于铸件壁较厚，金属液温度较高，过冷度较小，压铸件在凝固过程中收缩却未能得到液体的及时补充，从而造成组织中出现形状不规则的孔洞。再者，压铸铝合金轮毂是采用风冷和水冷的混合冷却方式，轮心部位最后凝固，通水冷却，而其它部位均通风冷却，顺序凝固过程中很容易在最后凝固的部位由于补缩不足而出现缩孔、缩松缺陷。如图2中(a)和(b)为光学显微镜下观察的缩孔、缩松，(c)为电镜下拉伸断口处的缩松，由于铝液补缩不足，造成组织不致密。轮辐和轮心部位出现此缺陷时，延伸率会急剧下降，在弯曲、径向疲劳以及冲击试验中此缺陷也是造成轮毂开裂的主要原因。
经研究发现，此种缺陷一般会出现在轮毂的轮辐、轮心及轮辋部位，与压铸件的铝液温度、充型速度、保压压力及顺序凝固条件等有关系。相关的改进措施有以下几种方法：
1）在保证铝液充满的情况下，适当降低铝液的温度，会减少铝合金凝固时的收缩量；
2）压铸过程中铝液充型结束时适当增加保压压力，可提高铝液补缩能力；
3）合理设计压铸轮毂结构，尽量避免壁厚过大，避免在厚大部位或R角处热节的出现；
4）合理控制冷却系统，起到消除热节，保证顺序凝固不被打乱，提高铸件的致密度的同时缩短铸造周期，确保连续化生产的作用，同时加大厚大部位的冷却速率。
2.2 气孔
(a) (b)
(d)
(c)
气孔是铸件中—种内表面光滑的球状孔洞性缺陷，一般为在冷却和凝固过程中以气泡形式析出的气体来不及跑出液面而留在铸件中形成。铝合金吸入的气体中以氢气为主，实践证明氢能大量的溶解于铝合金中，氢的来源通常是铝和水蒸气的反应，反应式为：
3H 20(g)+2Al=A12O 3+6[H]
铝液由于除氢不彻底就可能含有大量气体导致气孔的产生。铸件冷却速度越快，氢气的含量大于其溶解度时即以气泡的形式析出，来不及排出就在铸件凝固过程中形成细小分散的气孔，即所谓的针孔，多呈圆形不均匀，常出现在铸件的厚大断面和冷却速率较慢的部位。此外，铝液在充型过程中若充型压力不稳定，造成升液管内的铝液发生湍流，很容易将浇包内的气体卷入铝液中形成气孔。如图2中的(d)所示为压铸铝合金轮毂显微组织中的气孔缺陷，其周围伴随有缩松。此缺陷一般出现在轮毂的轮心和轮辐部位。为了减少气孔缺陷的产生，需采取以下措施进行改进：
1）控制炉料，除氢彻底，在铝液充型时改进排气装置，如在轮毂法兰面和轮缘处安装排气塞等；
2）铝液充型时尽量使充型压力稳定，不发生湍流，有序充填型腔，利于气体的排出；
3）在压铸模具上刷涂料时，选择发气量小的涂料。
2.3 夹杂
压铸铝合金轮毂内部出现的夹杂缺陷分布在其各个部位，一是由于铝合金材料不纯净或是熔炼中混入了非金属夹杂物，大小形状不规则，颜色也不同；二是铝合金熔炼，浇包内的铝液在高温下和空气中氧气发生了反应，生成了一层氧化物薄膜，覆盖在铝液的上面，若是扒渣不彻底就会在压铸过程中卷入氧化物薄膜形成夹杂缺陷，造成轮毂机械性能下降，严重影响产品质量。图3的(a)为拉伸断口含有的夹杂物形貌，(b)为显微组织中氧化膜夹杂。对(b)图中的夹杂物进行扫描电镜下的点能谱分析，结果见表2所示氧含量较高。
夹杂物缺陷严重影响铸件的延伸率，也使铸件的致密性变差，若是穿透性的氧化物夹杂可导致轮毂出现漏气的现象，为保证产品质量，需采取以下措施减少此缺陷的产生：
1）熔炼的铝锭材料要尽量避免含有太多的杂质，且将回炉料清理干净；
2）安装过滤装置，在铝液进入熔池和铝液充型时进行过滤，常用的过滤装置有陶瓷过滤片、纤维过滤网及镀锌铁过滤网，过滤起到拦截的作用，可除去铝液中含有的一部分夹杂物，根据实际情况合理选择过滤材料，另外可通过改变充型速度，采用真空负压吸附的原理在升液管中自动将铝液中的某些夹杂物甩到液体表层；
3）将合金溶液的熔渣及表面的氧化物清理干净，定时清理熔池和模具型腔。
(a) 拉伸断口夹杂物照片；(b) 氧化膜夹杂显微组织照片
图3 夹杂缺陷
氧化膜夹杂
(b)
表2 氧化膜杂质EDS 结果
元素
重量百分比 原子百分比 Al
86.6083.66Si
3.33 3.09 O
7.36 11.98 Fe 2.71 1.27
2.4 共晶硅偏析
压铸铝合金轮毂在外胎圈座附近易出现硅偏析现象，这是因为此部位横断面较大，合金顺序凝固的时候，α-Al 首先形核长大，铝液中Al 的减少，使液相中硅富集、浓度升高，在厚大断面的冷却速率较慢，温度稍高于其相邻部位，形成热节。当周围液相凝固收缩时，热节部位仍为液相，提供补缩的同时，硅富集的液相，就会流向热节的部位，致使此部位会出现严重的共晶硅偏析现象[9]
。共晶硅偏析的部位还会出现变质不良的针片状硅相以及大量富铁相，使得此部位硬且脆，机械性能急剧下降。 如图4所示为轮毂外胎圈座部位的共晶硅偏析组织，经测量偏析层厚度为1mm 左右，见图4中的（a），布什硬度达到HB103，化学成分检测Si 含量达到7.75 wt.%，且偏析的共晶硅有的变质不良呈针片状并且中间聚集着针状的富铁相，见图（b）中箭头所示。采取以下措施可减小共晶硅的偏析面积：
1） 铸件结构设计，轮毂结构设计中尽量避免热节部位的出现；
2） 冷却通道的设置，在产生热节的部位合理设置冷却通道，压铸过程中合理选择开启冷却通道的时
间，风速等，加强易出现硅偏析部位的冷却速率；
3）
在热节处安装额外的冷却装置，如加冷铁等。
图4 共晶硅偏析部位的显微组织
2.5 有害相Fe 元素的影响
铁在A356铝合金材料中是有害元素，铁含量的增加会使铸件变脆，降低合金的抗拉强度，屈服强度及延伸率，其中延伸率降低幅度较大。这是因为Al-Si合金中的铁元素主要以粗大的针状β相(Al 9Fe 2Si 2)的形式出现，该相硬而脆，能穿过α相晶粒，削弱基体，很大程度上降低合金的延伸率和冲击韧度，合金凝固时间愈长，β相长的愈粗大，削弱能力愈强，经测量针状铁相长度可达100μm左右。针状的Fe相削弱能力最大，其次就是鱼骨状的α相(Al 12FeSi)，以及汉字状及团球状的铁相[10]。如图5中的（a）图所示为光学显微镜下观察到的各种Fe相形态，（b）图为扫描电镜下的针状铁相，对其进行点能谱分析，结果见表3所示铁含量较高。针状及鱼骨状的Fe相易出现在最后凝固的轮辐和轮心部位。采取以下措施可减弱铁相的有
害作用：
1） 严格控制铝合金熔体中铁元素的含量；
2） 在熔炼中添加适量的Cr元素，熔炼过程中加一定量的Cr元素可与Fe形成多元复杂相，改善Fe相的
形成与生长，一方面可消除铁的危害作用，另一方面可形成复杂耐热相，进而提高合金的高温性
能；
3） 合金熔炼中添加适量的Mn元素，合金中含有Mn一般认为可将针状的β-Fe 相转变为汉字状、鱼骨状等的形式，从而大大减弱了针状Fe对基体的削弱作用，改善合金的力学性能，消除其脆性。
图5 A356铝合金显微组织中Fe 相形态
表3 针状铁相EDS 结果
元素
重量百分比 原子百分比 Al
61.2969.99Si
15.85 17.39 Fe 22.86 12.61
压铸铝合金轮毂由于各部位断面厚度的不同以及生产过程中冷却速率的不同，顺序凝固的过程造成各部位力学性能的存在差异，不同部位显微组织中α-Al 枝晶大小不同，轮毂各部位力学性能及α-Al 枝晶的多次测试结果的均值见表4所示，内轮缘最先凝固，晶粒细小，共晶Si 变质较好，其屈服、抗拉强度及延伸率明显高于其它部位，而铸件壁厚较大且最后凝固的轮辐和轮心部位力学性能相对较差些，晶粒较轮缘部位稍大些。有文献研究表明铸造A356合金的力学性能取决于其合金的微观结构特征，如枝晶的尺寸，硅粒子尺寸，缺陷的种类、形态，时效条件以及Mg 含量等因素
[11]。
表4 轮毂各部位机械性能及二次枝晶臂间距
机械性能 轮毂各部
位
屈服强度Rp 0.2(MPa) 抗拉强度Rm(MPa) 延伸率δ (%) 硬度(HBW) 二次枝晶臂间距(μm) 外轮缘
212 289 10 97.8 34 内轮缘
220 293 11.5 95.2 27 轮辐
206 256 3.2 94.1 48 轮心 203 248 2.6 89.4 55 针状β（Fe ）相
鱼骨状α（Fe ）相 汉字状Fe 相
(a)
3 结论
本文通过对轮毂各部位显微组织及力学性能的测试，分析了其内部缺陷的种类及分布情况，并提出了相应的的改进措施，为低压铸造铝合金轮毂产品质量的改进起到了一定的指导作用，其结论如下：
(1)由于轮毂各部位壁厚不同，压铸过程中铝液充型方向及顺序凝固等因素，造成轮辐及轮心部位易产生缩孔、缩松、气孔及夹杂等缺陷，枝晶尺寸相对较大，SDAS分别为48μm和55μm，而内轮缘最先凝固，晶粒较小，SDAS为27μm，延伸率达到11.2%。
(2)轮辐的根部在铝液充型时易产生热节，热节部位易出现共晶硅的偏析，经测量偏析层厚度1mm左右，布什硬度达到HB103，化学成分检测Si含量达到7.75 wt.%，且偏析的共晶硅周围聚集着针状富铁相。
(3)最后凝固的轮辐和轮心显微组织中易出现针状、鱼骨状及汉字状的铁基化合物，针状铁相的长度为100μm左右，可采取严格控制铝合金中Fe含量和添加适量Cr、Mn元素等措施以削减铁元素的有害作用。
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