铝合金轮毂低压铸造的热处理工艺及其性能分析

收稿日期：２０１９ １２ ０７
作者简介：李　莎（１９８６—），女，硕士，讲师，研究方向为金属材
料与热处理及表面技术
．
ＤＯＩ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００２ １６３９ ２０２０ ０８ ００６
铝合金轮毂低压铸造的热处理工艺及其性能分析
李　莎
（陕西工业职业技术学院，陕西　咸阳　７１２０００）
摘要：针对Ａ３５６ ２铝合金轮毂采取固溶措施，在此基础上通过人工时效２４ｈ、自然时效４８ｈ方式处理，展开力学性能检测，同时检测通过涂装处理后的成品。

经分析结果得知，Ｔ４（自然时效２４ｈ）热处理在屈服强度上有所下降，相较于Ｔ６热处理而言降幅约２０％～３０
％，除此之外在抗拉强度与硬度两项指标上也出现下降趋势，分别为５％～１０％、１０％～２０％，较特殊的是伸长率，提升幅度达到７０％～１００％。

在采取涂装措施后，基于合金检测结果得知，伸长率有所下降，强度与硬度均有所提升。

总体上，Ｔ４热处理可行性更佳，所得合金力学性能更为良好。

关键词：Ａ３５６ ２铝合金；热处理；轮毂
中图分类号：ＴＧ１５６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２ １６３９（２０２０）０８ ００２０ ０３
ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＷｈｅｅｌＨｕｂＵｎｄｅｒＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣａｓｔｉｎｇ
ＬＩＳｈａ
（ＳｈａａｎｘｉＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｏｌｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｔａｋｅｎｆｏｒＡ３５６ ２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｈｕｂ Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡ３５６ ２ａｌｕｍｉ ｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙａｒｔｉｆｉｃｉａｌａｇｉｎｇｆｏｒ２４ｈａｎｄｎａｔｕｒａｌａｇｉｎｇｆｏｒ４８ｈ，ａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｓｈｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓｔｒｅａｔｅｄｂｙｃｏａｔｉｎｇｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＴ４（ｎａｔｕｒａｌａｇｉｎｇ２４ｈ）ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙａｂｏｕｔ２０％ｔｏ３０％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＴ６ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓａｌｓｏｓｈｏｗａｄｏｗｎｗａｒｄｔｒｅｎｄ，ｗｈｉｃｈａｒｅ５％～１０％ａｎｄ１０％～２０％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｅｘｔｅｎｓｉｏｎｒａｔｅｉｓ７０％～１００％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｔｈｅｍｏｒｅｐｅｃｕｌｉａｒｉｓｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ７０％ｔｏ１００％ Ａｆｔｅｒｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｔａｋｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｌｌｏｙｔｅｓｔｉｎｇ，ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＴ４ｉｓｍｏｒｅｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅａｌｌｏｙａｒｅｂｅｔｔｅｒ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ａ３５６ ２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｈｕｂ
铝合金是现代工业的重要材料，兼具质量轻、成形性好等多重特点，应用于汽车工业中可以达到降低车
辆自重、优化操作性等效果［１－３］。

铝合金轮毂则明显
提升了行车舒适性，同时也与美观、省油的需求相符合，成为轿车的主要应用形式。

纵观我国铝合金轮毂发展状况，现阶段已经颇具规模，生产数量几乎与顶尖
国家齐平，但存在技术水平低下的问题［４－５］。

当前，低
压铸造是最为主要的生产方式，通过此技术生产的铝合金轮毂站总量的４０％，而为了确保低压铸造质量，对其展开工艺探讨极具必要性。

１　Ａ３５６ ２铝合金轮毂热处理
１ １　固溶处理
轮毂逐渐温度持续提升，最终达到固溶线以上的单相区域，在此环境下各溶质均发生变化，融入至α基
体中，得到了单一固溶相。

此过程中温度控制尤为关键，不可大于共晶温度，在不超出固溶温度上限的前提之下，通过持续提升温度的方式，原子扩散速度加快，溶质融入α的总量越多，过饱和析出也更为明显。

针
对Ａ１－Ｓｉ－Ｍｇ实行Ｔ６处理后，可将粗大Ｍｇ２Ｓｉ有效溶解，在达到逐渐均质化的同时还能够改变共晶Ｓｉ形态。

通过合金固溶的方式，将改变共晶Ｓｉ形貌，并影
响到最终的强化效果［６］。

固溶温度需适当提升，应尽可能靠近共晶温度但不可超过该值，否则会出现晶界
溶解现象，随之削弱力学性能。

基于此，关于固溶温度的控制，以（５３８±５）℃为宜。

固溶时间不可过长，将此环节设定为５ｈ较为适宜。

１ ２　淬　火
Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ铝合金在经过固溶处理后，将所得铸件转移至水中淬火，此举主要考虑的是冷却质量，具体体现在Ｍｇ２Ｓｉ平衡相的析出量这一层面。

通过淬火的方式，Ｍｇ２Ｓｉ会留在固溶体内，使其在低温环境下获得Ｍｇ２Ｓｉ固溶体。

考虑到Ｍｇ２Ｓｉ析出量控制要求，应尽可能提升冷却速率，否则不利于强化作用，且基体过饱和度随之下降，最终人工时效析出硬化效果欠佳。

基于
此，在淬火过程中需注重如下两点：①快速转移，需要在最短的时间内将铸件从炉中转移到水中，缩短在空气中的暴露时间；②水温低，尽可能提升冷却速率，在此环境下使得Ｍｇ２Ｓｉ能够有效留在固溶体内，确保铸件强度。

伴随淬火条件的改变，Ａ３５６ ２合金的性能也将发生变化，影响机制为：淬火温度增加时，铸件在伸长率与抗拉强度两项指标上都呈现出下降的趋势，换言之，若淬火速度较快，此时铸件伸长率与抗拉强度均有所提升。

考虑到Ｍｇ２Ｓｉ均匀分布的要求，当铸件出炉后，需尽快淬火，使其在３０ｓ内结束，要求水温维持在６０～８０℃。

１ ３　时效处理
基于对时效处理温度的划分，可以得到两种方式，即自然时效与人工时效。

具体处理机制为，伴随时效时间的延长，使得合金内部组织出现明显变化，力学性能也将发生改变。

当硬度或强度出现明显提升现象后，便可称为时效硬化。

不同性能要求下，对应的最佳处理温度与时间不尽相同。

１ ３ １　自然时效
伴随自然时效时间的延长，材料的硬度与屈服强度有所下降，伸长率与抗拉强度提升，这一规律在Ｍｇ含量较高的合金中体现的更为明显，且主要发生于前３ｈ。

１ ３ ２　人工时效
Ｓｉ离子形态并不会对人工时效处理效果带来影响，事实上，人工时效仅指的是将饱和固体从溶质中析出的过程。

从Ａ１－Ｓｉ－Ｍｇ合金来看，初始析出相指的是β－Ｍｇ２
Ｓｉ。

析出性能受多方面因素影响，以温度与时间尤为关键。

伴随时效温度的提升，无论是在抗拉强度与屈服强度上都出现不同程度的提升，但伸长率随之下降。

大量研究均揭示了铝合金析出特性，除了过渡相θ和β外，还伴随Ｓｉ质点析出，若时间较长，Ｓｉ质点更为明显，在其作用下铝合金的过时效更为显著。

基于多级人工时效的方式，将改变Ａ３５６ ２铝合性能，使其在抗拉强度、屈服强度以及硬度三项指标上都出现提升趋势，同时伸长率有所下降。

具体而言，１８０℃×６ｈ时效下，强度最佳；若要获得最佳伸长率，其基本前提是１４０℃×４ｈ时效。

基于此，实际处理中较为适宜的时效温度为（１３８±５）℃。

２　试验过程
铝合金轮毂低压铸造过程中，Ｔ４热处理会对最终的处理效果带来直接影响。

对此，选择美国通用产品展开试验。

共采取如下几种方式：Ｔ６（５３８℃×５ｈ固溶＋
１４５℃×３ｈ时效）热处理、Ｔ４（５３８℃×５ｈ固溶＋２４ｈ自然时效）热处理、Ｔ４（５３８℃×５ｈ固溶＋４８ｈ自然时效）热处理。

对轮辐、轮缘与轮心三个区域展开力学性能测试；此后，对轮毂采取喷涂措施，再次从上述三个部分取样，展开力学性能检测，对所得结果加以分析。

３　试验数据
整理后，得到各处理方式下的试验数据，具体内容如表１所示。

表１　试验数据
状况
内轮缘
外轮缘
轮辐
轮心
σｓ／ＭＰａσｂ／ＭＰａδ／％ＨＢσｓ／ＭＰａσｂ／ＭＰａδ／％ＨＢσｓ／ＭＰａσｂ／ＭＰａδ／％ＨＢσｓ／ＭＰａσｂ／ＭＰａδ／％ＨＢ
Ｔ４
（自然失效２４ｈ）１１２２０９１１．２７３１１４２２９１８７４１１２１９２６．９７１１０４１５９２．７７３Ｔ４（自然失效４８ｈ）
１１７２２９１９．７６４１１５２２４１９．２６３１０６１９２８５８１００１６７４．６５６Ｔ６处理
１５１
２４４９．８７８１４２２４４１５．２７６１３８２０６４．４７４１３８１７５２．６７３Ｔ４（自然失效２４ｈ后成品）２２６２８３７．６８５２０６２７１７．６８５１８５２２０２．６８２１７５２０５１．３７６Ｔ４
（自然失效４８ｈ后成品）２２０２７２５．６７８１９６２６１７．４７６１７８２１１２．１７６１５７２１９４．５
７
Ｔ６处理后成品
２２２
２９２
５．０
８４
２１２
２６５
４．８
８２
２０４
２５７
３．９
８１
２１１
２４１
０．１８０
４　数据比较分析及结论
（１）相较于Ｔ６热处理而言，通过Ｔ４热处理的方式屈服强度、抗拉强度与硬度都表现出不同的下降趋势，伸长率提升７０％～１００％。

相较于４８ｈ自然时效，通过２
４ｈ自然时效的方式处理后，在屈服强度与抗拉强度上与之大体相同，但硬度更高、伸长率相对较低。

（２）试验中，经Ｔ４热处理辅以２４ｈ自然时效的方式，在此基础上喷涂，能够显著提升力学性能，但这一过程中对自然时效提出较高要求，需精确控制时间，以免在后续机械加工中出现硬度过低的现象。

５　铝锭内部品质及熔炼工艺
从Ａ３５６ ２铝锭内部形态来看，遗传效应会直接影
响铝锭重熔效果，最终呈现出的铝液质量不尽相同。

在铝液重熔过程中，通过增设变质剂的方式能够优化Ｓｉ形貌并达到细化晶粒的效果，但在重熔过程中难以对Ｆｅ元素含量造成影响。

因此，经铸造后，Ｆｅ元素将是材料力学性能的主导因素，其主要呈长针状与板条状，具体如图１
所示。

图１　Ｆｅ的形貌
漏气将出现压力损失现象，从数字组合控制阀的运行性能来看，虽然该设备的反应速度较快，但采用的是离散跳跃式增压方式，因此不利于铝液充型的稳定性，且会对保压结晶铝液补缩造成影响，进而表现出车轮缩松等问题。

比例阀的特点在于实现连续增压，伴随有轻微的滞后性，对保温炉密封性能提出较高要求。

在有效维护保温炉的前提下，可提升比例阀的运行性能，达到铝液充型、保压平稳的效果，经铸造处理后的材料质量更为良好。

保温炉的密闭性尤为关键，是决定铸造压力系统稳定性的重要因素，同时也会对铝液氧化程度带来影响。

若保温炉缺乏优良的密闭性，不利于保压阶段的稳定性，需通过数字组合阀的方式以达到平衡压力的效果，此举将提升新进空气量，提供了更多氧气，铝液的氧化程度有所提升；此外，数字组合阀多次开启后，也会对铸造压力的稳定性造成影响，使得车轮的力学性能发生变化。

５ １　模具结构与铸造工艺的匹配
以铸造装备完善、铝液质量稳定为基本前提，在针对铝合金低压铸造过程中，最为关键的便是热量传递与分配，这是决定铸造质量的关键因素。

铸造过程中，模具是热量的载体，而选择合适的铸造工艺则会提升模具热量的分布均匀性，因此二者相综合将直接对铸件力学性能带来影响。

铝合金车轮低压铸造，其基本流程为车轮轮辋处自上而下、轮辐处由外向内，随之提升凝固质量，在此基础上依靠中心浇口补缩。

基于此，模具需要形成温
度梯度，在模具自身蓄热基础上，加之铸造工艺冷却的方式，便可产生温度梯度。

但考虑到车轮结构的复杂性，在处理过程中铸件热节处的热量散发效果欠佳，使得模具出现局部高温现象，并产生缺陷。

此外，通过对热节处的强冷处理，使得与热节衔接区出现明显的过冷现象，给通道造成阻碍，车轮缺陷较为明显。

对此，设计模具时需充分考虑多方面因素，达到热容、热阻与冷却通道有效配合的效果，使得车轮能够在短时间内完全凝固。

５ ２　热处理工艺
低压铸造车轮生产中，使用的是Ａ３５６ ２铝合金，针对此材料采取热处理。

实际操作中，需充分考虑到淬火温度、转移时间、人工时效等因素，全面确保热处理效果。

伴随固溶温度的提升，加之在不同温度下对
应的保温时间存在差异，使得Ｍｇ２Ｓｉ强化相特性发生变化，过饱和程度不尽相同，并对铸件性能带来影响。

淬火环节，若铸件不发生明显变形，需适当降低水温，同时最大程度上缩短淬火转移时间。

人工时效温度与保温时长尤为关键，会直接作用于Ｍｇ２Ｓｉ强化相，使其表现出不同的弥散析出程度。

总体上，固溶升温速度、保温时长等多个因素均会对逐渐材料造成影响，均是关键的工艺要点。

６　结　语
低压铸造铝合金车轮质量取决于所用材料的力学性能、铸造工艺、配套设备等，需确保铸工艺与模具的匹配性，合理控制热处理参数，从各个细节出发，全面确保铝合金车轮质量。

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