A356铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能.pdf

第33卷第6期Volume 33 Number 62023 年 6 月June 2023中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous MetalsA356铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能张东生1，李世德1,2，徐佐2，王佶2,3，毕江4，董国疆1,4(1.燕山大学 河北省特种运载装备重点实验室，秦皇岛 066004；2.中信戴卡股份有限公司，秦皇岛 066011；3.燕山大学 材料科学与工程学院，秦皇岛 066004；4.燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，秦皇岛 066004)摘 要：采用轻质铝合金构件是实现汽车轻量化的重要策略，轮毂作为典型车用铝合金零件，其成形质量与低压铸造工艺参数密切相关。本文采用ProCAST有限元软件对A356铝合金轮毂低压铸造过程进行模拟仿真，研究了浇注温度及保压时间对轮毂成形质量的影响。并利用优化参数对轮毂进行铸造，对其成形质量及组织性能进行分析；同时，对轮毂不同部位进行微观组织及力学性能分析；对轮辋部位进行拉伸性能测试。结果表明：在浇注温度为700、保压时间为80 s时，铝液充型平稳，凝固符合顺序凝固原则，其铸造缺陷产生的概率最低；轮毂由内至外晶粒尺寸逐渐减小，由轮毂中心部位的58 m减小至外轮缘的23 m；轮辋部位抗拉强度可达228 MPa，屈服强度为170 MPa，断后伸长率为6%。关键词：A356铝合金；低压铸造；数值模拟；微观组织；力学性能文章编号：1004-0609(2023)-06-1720-12 中图分类号：TF11.31 文献标志码：A引文格式：张东生,李世德,徐佐,等.A356铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能J.中国有色金属学报,2023,33(6):17201731.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43390ZHANG Dong-sheng,LI Shi-de,XU Zuo,et al.Numerical simulation,microstructure and mechanical properties of low pressure die casting of A356 aluminum alloy wheel hubJ.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2023,33(6):17201731.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43390 随着车辆日益严格的尾气排放法规实行，节能减排已上升为国家的发展战略方针12。车辆轻量化是解决当今问题的有效途径之一3。铝合金具有轻质、高强、耐磨、耐腐蚀等优质特性，常被用作汽车零部件的生产制造45。以轮毂为例，铝合金轮毂占全球汽车轮毂市场的54%左右。现有汽车轮毂的制造工艺主要包括低压铸造、锻造以及铸造旋压等，其中，低压铸造工艺占据铝合金轮毂制造工艺的80%以上6。相较于其他工艺，低压铸造作为一种快速近净成形工艺，具有产品精度好、表面质量高、生产效率高等一系列优势79。虽然轮毂的低压铸造工艺已日益成熟，但在铸造过程中仍会不可避免出现内部缺陷，例如缩松、缩孔、夹渣等1011。而如何实现稳定、高质量的车轮铸造过程已经成为国内外众多学者的研究热点。随着计算机数值模拟仿真技术的不断发展，利DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43390基金项目：河北省自然科学基金资助项目(E2021203138)收稿日期：2022-06-24；修订日期：2022-08-22通信作者：徐 佐，研究员，硕士；电话：[phone]；E-mail：董国疆，教授，博士；电话：[phone]；E-mail：用有限元手段对低压铸造过程进行模拟仿真，进而可以模拟得出不同工艺参数下车轮铸造质量差异，进一步指导生产工艺参数的调整和优化1213。为此，国内外学者对铝合金低压铸造开展了广泛研究。KAPOOR等14研究了不同低压铸造工艺参数对ADC12铝合金表面粗糙度及孔隙率的影响，发现合适的浇注温度及填充压力可有效降低铸件孔隙率及表面粗糙度。ZHANG等15通过建立低压铸造铝合金轮毂的数学模型，有效预测了低压铸造过程中轮毂铸件及模具内温度场变化。HIDALGO等16研究气孔对低压铸造铝合金疲劳极限及寿命的影响。DHISALE等17发现对模具冷却通道进行优化可以有效改善铝液充型凝固过程，从而降低轮毂铸件的孔隙率，并提高铸件质量。同时，国内学者也对低压铸造展开了广泛研究。姜巨福团队18应用ProCAST软件对A356.2合金轮毂的充型凝固过程进行模拟仿真并得出最佳局部增压铸造工艺参数条件，但缺乏相应的实验验证。北京理工大学 LI等19对低压铸造大型汽缸盖进行模拟仿真，并结合工艺试验对其微观组织进行分析，确立了其最优铸造工艺参数。上述研究结果表明，通过模拟仿真手段可有效预测铝合金低压铸造缺陷，并进一步优化低压铸造工艺窗口来提高铸件的成形质量，可以有效促进低压铸造产品提质增效，极大地推动了低压铸造技术在工业生产中的应用发展。虽然研究学者针对低压铸造仿真工艺进行了系列研究，但关于低压铸造关键工艺参数(铝液温度、保压时间)对低压铸造铝合金轮毂质量的相关研究尚不深入。基于此，本文作者运用模拟仿真+工艺试验的方法对A356铝合金轮毂的低压铸造工艺进行优化，并进行组织性能分析。首先，采用ProCAST软件对不同工艺参数下低压铸造铝合金轮毂的充型及凝固过程进行模拟仿真分析，分析得出不同工艺参数下缺陷分布，获取优化的低压铸造工艺参数；其次，采用优化工艺参数对轮毂进行试制，并采用X光探伤对其缩孔缩松缺陷进行分析；最后，对低压铸造轮毂不同部位的组织性能进行测试分析。通过上述研究，本文成果可对轮毂低压铸造工艺提供技术支撑，有望推动铝合金低压铸造工艺向高效率、高质量发展。1实验1.1有限元仿真1.1.1模型建立首先，利用三维制图软件UG对某车型轮毂模具进行三维建模，该模具是由顶模、底模、边模、分流锥、浇口杯、浇口套六个部分组成。其总装模具结构剖视图如图1所示。1.1.2模型前处理将轮毂模具三维模型导入 ProCAST 中，在Mesh模块中进行几何检查及修复，并对其进行三角形面网格与四面体体网格划分。同时综合考虑计算精度及仿真效率等因素，对部分几何体进行网格细分。其中，顶模、边模、底模网格长度均为5 mm；铸件网格尺寸进行相对细化，网格长度为3 mm；分流锥、浇口杯、浇口套三个小尺寸零件及细小结构特征进行进一步细分，网格长度设置为2 mm。模具整体网格划分后共生成428568个三角形面网格和4558239个四面体体网格，其有限元模型如图2所示。铸件与模具的材料参数直接影响结果的准确性，为此，对铝合金及模具相应部件材料的热物性参数进行实验测试。其中，铸件材料为A356铝合金；顶模、边模和底模为H13钢；浇口杯和浇口套为陶瓷材料。对A356铝合金进行荧光光谱测试，其化学成分如表1所示。铝合金及H13钢的主要物理性能参数如表2所示。1.1.3参数设置模具与模具之间的传热系数为1000 W/(m2K)，模具与铝合金铸件的传热系数为2000 W/(m2K)，模具与空气冷却、冷却水之间传热系数为20 W/(m2K)、5000 W/(m2K)2023。低压铸造工艺中共使用五条冷却工艺，其工艺参数如表3所示。在工艺参数优化方面，姜巨福等18,24通过模拟仿真研究不同工艺参数对铸造铝合金轮毂缺陷影响发现合适的浇注温度以及适当压力可以减少轮毂缺陷，并研究不同工艺参数对挤压铸造AlSi7Mg性能影响，得出浇注温度、模具温度、保压时间对铸件性能及组织有较大影响，合适工艺参数可以有效改第 33 卷第 6 期张东生，等：A356 铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能用有限元手段对低压铸造过程进行模拟仿真，进而可以模拟得出不同工艺参数下车轮铸造质量差异，进一步指导生产工艺参数的调整和优化1213。为此，国内外学者对铝合金低压铸造开展了广泛研究。KAPOOR等14研究了不同低压铸造工艺参数对ADC12铝合金表面粗糙度及孔隙率的影响，发现合适的浇注温度及填充压力可有效降低铸件孔隙率及表面粗糙度。ZHANG等15通过建立低压铸造铝合金轮毂的数学模型，有效预测了低压铸造过程中轮毂铸件及模具内温度场变化。HIDALGO等16研究气孔对低压铸造铝合金疲劳极限及寿命的影响。DHISALE等17发现对模具冷却通道进行优化可以有效改善铝液充型凝固过程，从而降低轮毂铸件的孔隙率，并提高铸件质量。同时，国内学者也对低压铸造展开了广泛研究。姜巨福团队18应用ProCAST软件对A356.2合金轮毂的充型凝固过程进行模拟仿真并得出最佳局部增压铸造工艺参数条件，但缺乏相应的实验验证。北京理工大学 LI等19对低压铸造大型汽缸盖进行模拟仿真，并结合工艺试验对其微观组织进行分析，确立了其最优铸造工艺参数。上述研究结果表明，通过模拟仿真手段可有效预测铝合金低压铸造缺陷，并进一步优化低压铸造工艺窗口来提高铸件的成形质量，可以有效促进低压铸造产品提质增效，极大地推动了低压铸造技术在工业生产中的应用发展。虽然研究学者针对低压铸造仿真工艺进行了系列研究，但关于低压铸造关键工艺参数(铝液温度、保压时间)对低压铸造铝合金轮毂质量的相关研究尚不深入。基于此，本文作者运用模拟仿真+工艺试验的方法对A356铝合金轮毂的低压铸造工艺进行优化，并进行组织性能分析。首先，采用ProCAST软件对不同工艺参数下低压铸造铝合金轮毂的充型及凝固过程进行模拟仿真分析，分析得出不同工艺参数下缺陷分布，获取优化的低压铸造工艺参数；其次，采用优化工艺参数对轮毂进行试制，并采用X光探伤对其缩孔缩松缺陷进行分析；最后，对低压铸造轮毂不同部位的组织性能进行测试分析。通过上述研究，本文成果可对轮毂低压铸造工艺提供技术支撑，有望推动铝合金低压铸造工艺向高效率、高质量发展。1实验1.1有限元仿真1.1.1模型建立首先，利用三维制图软件UG对某车型轮毂模具进行三维建模，该模具是由顶模、底模、边模、分流锥、浇口杯、浇口套六个部分组成。其总装模具结构剖视图如图1所示。1.1.2模型前处理将轮毂模具三维模型导入 ProCAST 中，在Mesh模块中进行几何检查及修复，并对其进行三角形面网格与四面体体网格划分。同时综合考虑计算精度及仿真效率等因素，对部分几何体进行网格细分。其中，顶模、边模、底模网格长度均为5 mm；铸件网格尺寸进行相对细化，网格长度为3 mm；分流锥、浇口杯、浇口套三个小尺寸零件及细小结构特征进行进一步细分，网格长度设置为2 mm。模具整体网格划分后共生成428568个三角形面网格和4558239个四面体体网格，其有限元模型如图2所示。铸件与模具的材料参数直接影响结果的准确性，为此，对铝合金及模具相应部件材料的热物性参数进行实验测试。其中，铸件材料为A356铝合金；顶模、边模和底模为H13钢；浇口杯和浇口套为陶瓷材料。对A356铝合金进行荧光光谱测试，其化学成分如表1所示。铝合金及H13钢的主要物理性能参数如表2所示。1.1.3参数设置模具与模具之间的传热系数为1000 W/(m2K)，模具与铝合金铸件的传热系数为2000 W/(m2K)，模具与空气冷却、冷却水之间传热系数为20 W/(m2K)、5000 W/(m2K)2023。低压铸造工艺中共使用五条冷却工艺，其工艺参数如表3所示。在工艺参数优化方面，姜巨福等18,24通过模拟仿真研究不同工艺参数对铸造铝合金轮毂缺陷影响发现合适的浇注温度以及适当压力可以减少轮毂缺陷，并研究不同工艺参数对挤压铸造AlSi7Mg性能影响，得出浇注温度、模具温度、保压时间对铸件性能及组织有较大影响，合适工艺参数可以有效改1721中国有色金属学报2023 年 6 月善其力学性能及组织细化。祁明凡等25研究发现，适当降低浇注温度及适当提高压射速度、压射压力可以有效改善镁合金薄壁铸件表面质量及其力学性能。通过文献并结合实际生产经验发现，铸件质量对浇注温度及保压时间两个参数表现出较大敏感性，因此，选取合理的浇注温度及保压时间对提高图1低压铸造轮毂模具三维模型剖视图及实物图Fig.1Section view of low pressure casting hub die and real mold photo图2有限元模型Fig.2Finite element model:(a)Assembly finite element model;(b)Grid cell view;(c),(d),(e),(f)Partial enlargement1722第 33 卷第 6 期张东生，等：A356 铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能轮毂铸造质量有着重要意义。浇注温度、模具预热温度是影响铸件缺陷的两个主要工艺参数，浇注温度的设置根据示差扫描量热法(DSC)分析结果所确定，如图3所示。由图3中的DSC曲线可知，铝合金的液相线温度为613，固相线温度为548，分别选取700、710、720 浇注温度分析得出最佳工艺参数。模具预热温度将影响模具的使用寿命及铸件达到稳定生产的循环次数。模具预热温度过高时，铸件冷却凝固所需时间增加，影响生产效率，增加生产成本；温度过低，合金液的温度下降过快，液体流动困难，并且容易产生铸造缺陷。综上分析，选择模具预热温度为500。低压铸造中将压力过程设置为充型、增压、保压、卸压四个阶段，如图4所示。保压时间是影响铸件成形质量及缺陷的重要工艺参数，为了获取最佳保压时间参数，分别选取保压时间60 s、80 s及100 s，分析三种不同时间时长对铸件影响。其中保压压力为95 kPa。1.2实验方法采用模拟仿真中的优化参数对车轮进行低压铸造工艺试验。为了更好地发现轮毂中缩孔缩松缺陷，采用SRE90 CNC型X射线探伤仪对轮毂内部进行探伤。针对轮毂的不同位置，对其进行微观组织分析及力学性能测试。力学拉伸实验在WDW100微机电子万能材料拉伸试验台上进行，拉伸试样参考国标GB/T 2282002实行，拉伸控制方式采用位移控制，拉伸速度为2 mm/min，其拉伸结果取三根试样取平均值。其示意图及位置如图5所示。从轮毂铸件选取5个位置(标号15，分别对应中间毂、轮幅、外轮缘、轮辋、内轮缘)截取试样，首先依次使用粒度为10 m、5 m、3 m和1.5 m 的砂纸浸水对截取试样进行粗磨及细磨。表1低压铸造铝合金A356的化学成分Table 1 Chemical composition of low pressure cast aluminum alloy A356(mass fraction,%)AlBalSi6.74Mg0.35Fe0.08Cu0.04Ti0.09Mn0.02Zn0.05表2低压铸造铝合金A356及H13钢物理性能Table 2 Physical properties of low pressure cast aluminum alloy A356 and H13 steelMaterialA356H13Density/(kgm3)2.71037.8103Specific heat capacity/(kJkg1K1)0.9630.422Thermalconductivity/(Wm1K1)15128.7表3冷却工艺参数Table 3Cooling process parameterCooling channelNo.12345Cooling wayAir coolingAir coolingAir coolingAir coolingWater coolingFlow rate/(m3h1)80808080200Opentime/s4060608030Closingtime/s160160180180150图3A356铝合金材料参数Fig.3Material parameters of A356 aluminum alloy:(a)DSC curve;(b)XRD diffraction pattern1723中国有色金属学报2023 年 6 月随后使用粒度为1 m的金刚石研磨喷剂配合金丝绒抛光布在MPD1抛光机上精细抛光至镜面无痕效果。然后将试样放入凯勒试剂中浸蚀15 s(体积比V(HF)V(HCl)V(HNO3)V(H2O)=1 1.5 2.5 95)，最后利用蔡司Axio Scope A1光学显微镜进行显微组织观察。其试样及取样位置如图5所示。硬度测试采用MVS1000D1型自动转塔数显显微硬度测试仪，测试载荷2 N，保压时间10 s，15位置试样经打磨抛光后满足硬度测试条件，每个位置试样测量10次后取平均值。2结果与分析2.1充型与凝固分析图6所示为低压铸造铝合金轮毂不同时间阶段充型及凝固模拟仿真结果。其中图6(a)(c)为铝液充型过程，图6(d)(f)所示为铸件凝固过程。铝液经过浇口杯浇口套进入模具型腔，再经分流锥分流后流经轮辐；铝液分流效果较好，说明此时压射压力设置合适，并未形成分流不均匀现象。在流入轮辐外缘后，分流铝液发生汇合，汇合处由于铝液之间的冲击，可能会导致气体的夹杂，使气体不易被排除而导致气孔缺陷。汇流后，铝液平稳填充轮辋直至充型结束。整体充型时间为12.61 s，且充型铝液最低温度均高于液相线温度，这就表明型腔中铝液有较好的流动性。说明浇注温度及模具温度设置合理。如图6(d)(f)所示，铸件整体凝固遵循由上而下、由外至内的顺序。轮辐中心、轮辐边缘靠近水冷通道导致其换热系数大，因此，该位置的冷却速率高于其他部位。充型时间为58 s时，轮辐外缘开始冷却，随后轮辋由上至下依次冷却，而最终在轮辐根部位置处停止，这是由于该位置厚度较大，容易产生热节导致该局部位置温度较高，凝固较慢从而产生缩松缺陷，并且铸件形状复杂，产生热节图4工艺流程压力曲线Fig.4Process flow pressure curves图5低压铸造铝合金轮毂实验试样示意图及分布位置Fig.5Schematic diagram and distribution position of low pressure casting aluminum alloy wheel(Unit:mm)1724第 33 卷第 6 期张东生，等：A356 铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能后导致内部热应力使铸件发生变形。2.2缺陷分析为了获取最佳浇注温度工艺参数，分别对700、710、720 三种不同浇注温度下的缩松缺陷进行仿真分析(见图7)。由图7可以看出，在193 s时铸件凝固结束并已开模，查看此时缩松缺陷结果以评定最佳浇注温度。当浇注温度为700 时，模拟结果显示在外轮缘与轮辋交接处形成缩松缺陷且最大缩松率只有1.02%。通过X射线扫描该位置处并未发现缩松缺陷，同时该部位处铸型平整、充型完全、外表轮廓清晰、表面光洁，满足铸件工程要求。随着浇注温度的升高，最大缩松率也随之增加。当浇注温度为710 时，外轮缘处最大缩松率为3.75%，说明在距浇口较远的外轮缘处易产生缩松缺陷。对仿真结果进行分析，缺陷产生原图6低压铸造铝合金轮毂充型与凝固仿真Fig.6Mold filling and solidification simulation of low pressure casting aluminum alloy wheel:(a),(b),(c)Filling process;(d),(e),(f)Solidification process1725中国有色金属学报2023 年 6 月因主要为，随着浇注温度升高，其冷却速率也随之增大，容易在厚度较薄的外轮缘部位因冷却过激产生缩松缺陷。当浇注温度为720 时，虽然铝液温度升高，其流动性及充型能力提高，但是铝液与模具之间黏连性增加，容易在轮辐位置产生缩孔缺陷，从而降低铸件质量。保压时间对低压铸造铝合金轮毂成形质量有着重要的影响，保压时间短，铸件充型完成后在凝固后期不能及时补缩，容易形成缩孔缺陷；同时，模具与铸件之间的冷缩缝隙增大，还会影响模具与铸件之间的传热行为。经模拟仿真结果分析，在保压时间为60 s时，轮辐中部产生明显的缩松缩孔缺陷。这是由于轮辐部位厚度较大，铝液补缩较为困难，并且保压时间过短，不利于晶粒细化，同时会导致形核率降低。而合适的保压时间会显著提升铸件成形质量，如图8(b)所示。由图8(b)可以看出，在外轮缘部位存在少量的缩松缺陷，这是由于该位置铸件较薄，随着过冷度提高，会出现少量缩松缺陷，而缩松率最高为1.05%，相较于其他保压时间，该缩松率大大降低，并在其他部位没有发现缺陷，整体充型凝固水平较高。因此，较为合理的保压时间选择为80 s。当保压时间上升到100 s时，其缺陷分布及缩松率与80 s时相差较小，但考虑到低压铸造生产效率，保压时间增长20 s，生产效率降低10%，并增加了生产成本。因此，选取80 s保压时间作为合适的生产工艺参数。2.3X射线分析在选取700 的浇注温度、80 s保压时间以及其余工艺参数后，对轮毂进行实际低压铸造生产，并对其应用X射线探伤，以此验证工艺参数的准确性。轮毂不同部位X射线探伤结果如图9所示。图9(a)所示为轮辋及外轮缘位置的X射线探伤图，图中未发现明显的裂纹、缩松、缩孔缺陷，且该位置低压铸造成形较好，在外轮缘边缘部分也未见缩松缺陷。X射线探伤结果与模拟仿真结果吻合，进一图8不同保压时间时低压铸造铝合金轮毂缩松缺陷Fig.8Shrinkage defects of low pressure casting aluminum alloy wheel at different holding time:(a)60 s;(b)80 s;(c)100 s图7不同浇注温度下低压铸造铝合金轮毂缩松缺陷Fig.7Shrinkage defects of low pressure cast aluminum alloy wheel at different pouring temperatures:(a)700;(b)710;(c)720 1726第 33 卷第 6 期张东生，等：A356 铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能步验证了该参数选择的准确性。从轮辐部位的X射线图中(见图9(b)也未发现明显铸造缺陷，并且铸件表面较为平整，说明浇注时间及保压时间设计合理，没有发生轮毂铸件与模具之间的黏料现象，满足铸件车型质量要求。图9(c)所示为中间毂位置X射线图，也可看出该处成形质量较好，并没有明显铸造缺陷。从不同部位的X光结果中均未发现铸造缺陷，进一步说明该工艺参数选择的合理性。2.4力学性能分析图10所示为车轮力学性能测试结果，其中图10(a)为拉伸试样和硬度试样的取样位置；图10(b)所示为轮辋处合金的拉伸性能；图10(c)所示为轮毂不同位置合金的显微硬度结果。在轮毂轮辋位置切取拉伸试样，发现拉伸曲线一致性较好。其中，三个试样平均屈服强度为170 MPa，平均抗拉强度为228 MPa，断后伸长率为6%。对比三个试样的拉伸曲线可以发现，不同试样之间的屈服强度差异不大，而抗拉强度随伸长率的增加呈逐渐增大。这是由于三根试样的整体力学性能相差较少，而随着位置依次向上，其内部的孔隙率，缩松缺陷相对较少从而导致抗拉强度有所提升。沿着轮毂浇注方向由下至上选取5处不同位置测试其硬度值，并每处位置测量十个点后取其硬度平均值(见图10(b)。通图9轮毂不同位置X射线探伤图Fig.9X-ray inspection of wheel hub at different positions:(a)Rim and outer rim;(b)Spokes;(c)Wheel hub图10低压铸造铝合金轮毂试样取样位置图和轮毂不同位置的力学性能Fig.10Sampling position of low pressure cast aluminum alloy wheel and mechanical properties of different positions of wheel:(a)Testing position of sample;(b)Tensile property;(c)Hardness testing1727中国有色金属学报2023 年 6 月过对比分析，不同位置的硬度平均值相差不超过5%。轮辋上半部分位置的硬度最高为132HV，中心毂的硬度最低(114HV)，与图12所示金相组织分析相吻合，由轮辐底部至轮缘位置的晶粒直径逐渐减小，说明越靠近轮缘位置，组织越发紧密，硬度越高，而轮缘位置硬度偏低，是由于在冷却过程中轮缘冷却速率过快导致产生的缩松缺陷较多，而轮辋位置的冷却速率适中，产生组织细密度较好相比缺陷较少，从而其力学性能较强。2.5金相组织分析对拉伸试样断裂区域的显微组织进行金相观测，如图11所示。从图11中可以看出，该区域显微组织形态为典型的铸态组织。其中，浅色为(Al)基体，深灰色颗粒状为团聚Si颗粒。合金试样内部存在少量缩孔，尺寸分布为1050 m(见图11(a)。对组织进行放大，可见铝基体内部存在少量黑色点状物，为基体内部析出相Mg2Si腐蚀后脱落留下的点蚀坑(见图 11(b)和 11(c)。采用 Nano measure软件对合金胞状晶及二次枝晶臂尺寸进行测量，分别为43 m和33 m。其尺寸略低于常规铸造铝合金，说明在低压铸造过程中压力的施加及水冷、风冷的冷却作用可以有效促进结晶，细化晶粒组织，进一步提升合金的力学性能。同时，对试样的拉伸行为进行分析，试样内部的微孔洞缺陷在受到拉应力载荷时，其尺寸会变大；当孔洞长大至一定程度时，试样内部产生微裂纹，微裂纹进一步扩展，最终试样断裂。图12所示为低压铸造车轮不同位置下金相显微组织。从图12中可以看出，不同区域的组织形图11拉伸断口处金相组织Fig.11Metallographic structures at tensile fracture图12不同位置和倍数下金相微观组织观测Fig.12Observation of metallographic microstructure at different positions and multiples:(a)Under spokes;(b)Upper spokes;(c)Under rim;(d)Upper rim;(e)Rim1728第 33 卷第 6 期张东生，等：A356 铝合金轮毂低压铸造数值模拟以及组织与力学性能态差别不大，但胞状晶及二次枝晶臂的尺寸发生了显著变化。从中间毂至内轮缘，胞状晶平均尺寸逐渐减小，由58 m(位置1)降低至23 m(位置5)。不同位置显微组织尺寸变化与铝液的凝固速率相关，这是由于轮毂在低压铸造过程中，铝液首先充满模具型腔，然后在压力作用下顺序凝固。在保压凝固阶段，需开启水冷及风冷，使轮毂从上至下顺序凝固，即凝固次序为内轮缘轮辋外轮缘轮辐中间毂。位于内轮缘位置的铝液最先凝固，其凝固速率也最大，受过冷度影响，铝液在凝固过程中的异质形核效果也最为显著；而位置中间毂位置的铝液最后凝固，凝固速率最小，晶粒结晶长大的时间最为充沛，造成该位置的晶粒尺寸要显著大于其他位置。对比分析不同部位的缩孔缺陷，发现内轮缘位置处缩孔数量明显多于其他位置，这与模拟仿真结果一致。原因在于，在较大凝固速率下，铝液中的气体来不及溢出，同时铝液补缩能力下降，产生缩孔缺陷。3结论1)低压铸造工艺参数对铝合金轮毂的成形质量存在显著影响。采用模拟仿真手段对不同浇注温度及保压时间下的轮毂的铸造缺陷进行分析，当浇注温度为700，保压时间为80 s时，轮毂铸件的缺陷最小，缩松率最高仅为1.05%。对该工艺参数下试制的轮毂不同部位进行X射线探伤，发现轮毂成形质量较好，并未出现铸造缺陷。2)对轮毂不同部位进行力学性能测试，其中轮辋处合金抗拉强度可达228 MPa，屈服强度为170 MPa，断后伸长率为6%。对比不同位置的显微硬度，发现轮辋部位的硬度最高，达到了132HV，中心毂的硬度最低，为114HV，相比轮辋位置降低了13.6%。3)对轮毂不同部位显微组织进行分析，发现合金主要由(Al)基体和Si颗粒组成。不同区域的组织形态差别不大，但胞状晶及二次枝晶臂的尺寸发生了显著变化。从中间毂至内轮缘，胞状晶平均尺寸逐渐减小，由58 m降低至23 m，晶粒组织细化是引起合金硬度变化的主要原因。REFERENCES1GU G T,ZHENG H R,TONG L Y,et al.Does carbon financial market as an environmental regulation policy tool promote regional energy conservation and emission reduction?Empirical evidence from ChinaJ.Energy Policy,2022,163:112826.2TIAN S S,DI Y Z,DAI M,et 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