本文通過優化鋁合金車輪支架差壓鑄造充型過程曲線，解決了工件內部部分區域的氣孔缺陷問題，避免了產品結構及模具結構的修改，提高了產品質量，優化了開發成本，為解決差壓鑄造產品內部的侵入性氣孔缺陷，提供了一種可行的過程工藝優化方法。

　　關鍵詞：鋁合金;差壓鑄造;氣孔;工藝優化

　　車輪支架是汽車底盤最重要的安全件之一，它承受并傳遞底盤與路面之間的力和力矩，若車輪支架用在轉向橋上，也俗稱轉向節[1]。傳統車輪支架常用的材料為球墨鑄鐵，隨著汽車輕量化的迫切需求，越來越多的主機廠選擇鋁合金差壓鑄造車輪支架，因為它既有鍛造件的強度，又具備較高的延展性[2]。差壓鑄造相對傳統重力鑄造優勢明顯，主要表現在充型金屬液質量好、充型過程精準可控、鑄件內部缺陷少、鑄件表面質量好等方面[3]。

　　1差壓鑄造特點

　　差壓鑄造(CounterPressureCasting)起源于保加利亞，它是在低壓鑄造的基礎上，在鑄型外增加了密封罩，先通入壓縮空氣整體加壓，然后使坩堝與鑄型產生壓力差，金屬液會隨升液管“自下而上”的流入鑄型(如圖1所示)，并在較高的壓力下補縮和凝固[3]。上汽大眾在2013年國產化了第一款鋁合金差壓鑄造車輪支架，至此之后越來越多的差壓鑄造技術應用在了各種車型的前、后轉向節上。本文研究的產品及工藝均采用保加利亞鑄造集團CPC1600差壓鑄造設備生產。CPC設備面板上通常會有兩個曲線框(如圖2所示)，上、下兩組曲線分別對應了系統中各腔的壓力及充型壓力差∆P隨時間T變化的曲線，它們展示了CPC差壓鑄造的充型、補縮、凝固全過程。首先建立系統壓力Psys，隨后金屬模腔保持壓力恒定，坩堝爐壓力繼續升高并與金屬模內腔形成壓力差∆P，隨著∆P的不斷增大，鑄型被逐漸填充滿，充型過程可設置Spi(i=1，2，...6)6個壓力控制點來分段精細化控制。在充型完成后，金屬模腔內卸壓，工件在保持最大壓力差∆Pmax的狀態下補縮和固化。車輪支架毛坯差壓鑄造批量生產主要流程如圖3所示：首先在熔煉爐中將原材料鋁錠熔煉為鋁液，隨后在坩堝爐中精煉鋁液(變質、細化、除氣、除渣等)，將精煉合格的鋁液通過CPC差壓鑄造得到所需的產品造型，產品在完成熱處理后才能到達要求的機械性能。由于差壓鑄造產品可能存在內部缺陷(氣孔、縮孔、疏松等)，我們通常采用100%X-ray探傷來保證產品內部0缺陷，且所有探傷照片均精確追溯并存檔15年。如果X-ray不合格率過高，不僅影響了產能，造成資源浪費，而且也提高了工廠生產成本，因此超壓鑄造充型工藝至關重要。

　　2產品充型工藝質量問題

　　某鋁合金車輪支架材料牌號為AlSi7Mg0.3，該產品機械性能要求為：屈服強度>245N/mm2(單項值)，>255N/mm2(平均值，n=3);抗拉強度>305N/mm2(單項值)，>315N/mm2(平均值，n=3);延伸率>6%(單項值)，>8%(平均值，n=3)，產品的孔隙率按照標準VW50093，一般區域：D5/Φ3，關鍵區域：D4/Φ3/H0，同時產品疲勞性能需要滿足臺架試驗標準。試制過程中通過X-ray探傷發現該產品氣孔報廢率達到30%以上，缺陷形狀大多為內壁光滑的圓球形或扁球形，主要集中在方框的中間區域(如圖4、圖5所示)。鋁合金鑄件氣孔通常分為析出性氣孔、反應性氣孔、侵入性氣孔三種[4]。析出性氣孔通常均勻分布在內部靠近熱節、冒口等溫度較高的區域，氣孔細小且分散;反應性氣孔通常分布在型壁與鑄件的接觸面上;侵入性氣孔主要分布在鑄件上部，孔大而光滑[4]。本文研究的產品缺陷主要為侵入性氣孔，即在充型過程中金屬模具型腔中的氣體未及時排出而被卷入到金屬液中，俗稱“卷氣”。

　　3原因分析

　　在差壓鑄造產品開發過程中，如遇“卷氣”缺陷時，通常會先從以下幾個方面著手進行排查：(1)升液管開裂漏氣。在產品充型過程中，坩堝內壓縮空氣通過升液管裂紋滲入并伴隨鋁液進入鑄件。(2)中間管法蘭密封不好。壓縮空氣通過中間管法蘭泄漏處侵入并伴隨鋁液進入鑄件。(3)金屬模排氣孔堵塞。充型過程中若型腔內的氣體排出不及時，易導致氣體被金屬液包裹卷入鑄件中。經過現場調查，在排除了以上幾個常見因素后，我們使用MAGMA對鑄造過程仿真分析發現，鑄件的缺陷區域在充型過程中出現了局部“孤島”(如圖6所示白圈部分)。對該區域做局部剖視圖A-A，剖面呈現“W”形，存在“波峰”和“波谷”特征(如圖7所示)。據研究表明，每種液態金屬都存在一個臨界速度，高于該臨界速度會產生紊流，金屬液表面將發生折疊并夾入到金屬液的主體中[5]。如果充型速度過快，金屬液在重力作用下從“波峰”涌向“波谷”，形成“瀑布效應”[5]，本案例的充型鋁液在翻滾過程中還會繞道到前方區域形成局部“孤島”，因此增大了該區域發生“卷氣”或氧化夾雜的風險。結合產品結構特征，我們嘗試通過降低缺陷區域充型速度的方式來減緩“孤島”和“瀑布效應”的影響。該產品的原始鑄造充型參數見表1，原始充型曲線如圖8所示。根據壓強公式P=ρgh，由CPC設備和產品結構的特性可以推算出充滿金屬模型腔的壓力差△P1約為160mbar，及充型過程中鋁液到達缺陷部位時的壓力差△P2約為130mbar到140mbar之間。該產品原始設定的鑄件充型過程分為SP0-SP1、SP1-SP2、SP2-SP5、SP5-SP6四個階段。在SP1點(△P約為90mbar時)，充型鋁液由升液管到達模具下模腔的澆口附近;在SP2點(△P約為160mbar時)鋁液充滿型腔;隨后壓力差△P繼續增大直到SP6點的500mbar。本產品出現缺陷的位置，對應的充型階段為SP1-SP2，該階段的充型速度可以根據曲線斜率求出。

　　4優化方案

　　為放緩產品缺陷部位的充型速度，我們在原始充型曲線SP1-SP2階段內新增了SP3和SP4控制點，將原來的SP1、SP2兩步加壓充型優化為SP1'、SP2'、SP3'、SP4'四步加壓充型(如圖9所示)。力爭通過降低充型速度，讓鋁液在金屬模腔內(尤其是缺陷區域)的充型流動更為平緩。嘗試實施的兩個方案如下：方案一：產品缺陷部位的充型速度從SP1-SP2階段的14mbar/s降到SP2'-SP3'階段的6.7mbar/s和SP3'-SP4'階段的6.7mbar/s(詳細參數如表2所示)，為了驗證該充型速度對氣孔的影響，我們試制了一個班次(生產了約720件產品)，通過X-ray探傷發現缺陷區域氣孔報廢率降低為2%。方案二：產品缺陷部位的充型速度從SP1-SP2階段的14mbar/s進一步放緩到SP2''-SP3''階段的4mbar/s和SP3''-SP4''的5mbar/s(詳細參數如表2所示)。在所有其他條件相同的情況下(即相同的鋁液、差壓鑄造設備、X-ray探傷設備、生產人員等)，同樣試制了一個班次(生產了約720件產品)，通過X-ray探傷發現缺陷位置的氣孔報廢率降低為0。最終我們選擇了方案二用于生產，從而避免了修改模具或修改產品結構的高成本優化措施。需要補充強調的是，差壓鑄造充型速度也并不是越低越好，而是要在不引起金屬液紊流并保障排氣通暢的情況下，盡量提高充型速度，這樣有利于工件補縮，提高鑄件致密度[6]。

　　5結論

　　本文主要闡述了鋁合金車輪支架類產品的差壓鑄造生產工藝。某產品開發過程中發現部分區域氣孔缺陷比例大，通過分析產品結構，調整優化了差壓鑄造充型過程曲線，有效解決了產品內部特殊區域一定比例的侵入性氣孔缺陷問題，保證了產品質量，降低了開發成本，具有良好的經濟效益。

　　參考文獻

　　[1](德)海興(Heibing，B.),(德)埃爾斯(Ersoy,M.)著,孫鵬譯.汽車底盤手冊[M].北京:機械工業出版社,2012:438-439.

　　[2]李鵬飛,楊弋濤.差壓鑄造鋁合金汽車轉向節的夾雜物分析[J].特種鑄造及有色合金,2018,38(1):40-44.

　　[3]中國機械工程學會鑄造專業學會編.鑄造手冊[M].第六卷.特種鑄造.北京:機械工業出版社,2001.

　　[4]董秀琦.低壓及差壓鑄造理論與實踐[M].北京:機械工業出版社,2003:316-317.

　　[5]MarkJolly.Prof.JohnCampbell’stenrulesformakingreliablecas-tings[J].JOM,2005,57(5):19-28.

　　[6]朱秀榮,侯立群等著.差壓鑄造生產技術[M].北京:化學工業出版社,2009:130-131.

　　作者：顧承揚 雷海蓉 單位：上汽大眾汽車有限公司