导 读：以低压铸造A356铝合金轮毂毛坯为研究对象，利用X射线荧光光谱对轮毂不同区域Si含量进行分析，借助扫描电镜和金相显微镜研究宏观偏析产生机理。结果显示，轮毂中Si含量自上而下逐渐降低；试样表层Si含量明显高于次表层部位，且在热节处尤为突出。分析表明，该宏观偏析受重力、压力和温度三方面因素共同影响。
目前，轻量化、节能化成为各国汽车发展的必然趋势。铝合金因密度低、强韧性高、成型性好，对减少能耗，改善操控性有重要意义。目前，用于铝合金轮毂成形的工艺主要有铸造（重力铸造和低压铸造）和锻造两类。其中，重力铸造轮毂容易出现较多的铸造缺陷，力学性能差；锻造轮毂力学性能好，但成品率低，仅为50%左右，成本非常高。低压铸造轮毂成本较低，性能适中，被广泛应用。低压铸造通过外加压力将铝液自下而上注入型腔中，然后在一定压力下凝固成形。
低压铸造过程中，通过模具结构、涂料厚度和冷却系统协同控制轮毂自上而下顺序凝固，利用外加压力提高铝液凝固过程中的补缩能力，进而减少铸件缩松、缩孔、冷隔等缺陷。但是，实际生产中，由于轮毂结构复杂，温度场、外加力场以及重力场之间存在耦合，导致铸件各区域之间成分存在差异，严重影响产品的力学性能和外观。王贵等对A356铝合金轮毂轮辐位置Si元素偏析情况进行分析，认为该位置冷却不足是导致偏析的主要原因，但未揭示温度对偏析的影响机制。赵亚尧等论述了低压铸造炉前处理工艺对熔体中Si元素偏析的影响，但缺乏对铸造过程成分偏析的研究。贾晓飞等对轮毂中Si元素的微观偏析进行了较为系统研究，但未关注铸件宏观偏析现象。本课题以低压铸造A356铝合金轮毂为研究对象，重点研究Si元素宏观偏析现象，分析其产生原因和机理，为提出针对性解决措施提供参考。
1 试验材料及方法
所用材料为A356铝合金，利用低压机台铸造成3种不同轮型。图2为其中一款产品的铸造毛坯，包括内轮缘、外轮缘、轮辋、轮辐、中心孔5部分。铝液浇注温度为700 ℃，成形压力为90 kPa。模具通过壁厚梯度设计和冷却装置实现铸件自上而下、自外而内的顺序凝固（内轮缘-轮辋-外轮缘-轮辐-中心孔）。
图1 低压铸造铝合金轮毂毛坯
利用荧光直读光谱仪对不同轮型不同区域Si元素含量沿虚线路径进行测试，研究重力场对铸件成分均匀性的影响，每个部位测试3次取平均值；另外，对轮毂不同部位表层和次表层（距表层5 mm处）Si含量进行对比，分析铝液凝固过程中溶质的迁移规律。
采用红外测温仪对铸造过程中模具不同区域温度进行检测，借此分析温度场对Si元素分布的影响；采用金相显微镜和扫描电镜对试样微观组织结构进行观察，以分析轮毂不同区域的凝固过程和行为。
2 试验结果与讨论
2.1 不同部位Si元素含量
图2为轮毂各区域平均Si元素含量变化趋势。可以看出，Si元素分布与取样位置呈一定相关性：自上而下，Si元素含量逐渐降低。REILLY C等对此宏观偏析现象原因进行初步分析，认为温度场紊乱干扰了凝固过程中溶质元素的再分配。基于此，对轮毂各区域模具温度进行测量，发现模具温度自上而下逐渐升高，能满足良好顺序凝固条件。而且，即使该现象与温度有关，Si元素变化趋势也应自上而下逐渐增加。
图2 轮毂不同部位Si元素平均含量及温度变化趋势
进一步分析发现，熔融硅密度在2.3~2.4 g/cm3之间，低于铝液密度，在凝固前Si元素存在较强向上扩散驱动力。据此推断，重力可能是导致上述宏观偏析的主要因素。
取700 ℃均匀A356铝合金熔体，浇入预热至350 ℃，Φ30 mm×150 mm的模具中，一个垂直地面放置，一个水平放置。凝固后，对试样沿圆柱高度方向剖切，并进行成分检测。结果显示，垂直地面放置试样顶端和底端Si元素含量分别为7.7 %和6.7 %(质量分数，下同)，而水平放置试样两端分别为7.2 %和7.3 %，结果表明Si元素分布受重力影响。
2.2 Si元素沿厚度方向分布
对轮辋和轮辐位置试样表层和次表层成分进行检测，发现表层Si含量明显高于次表层，且在轮福与外轮缘交接拐角处尤为严重，见图4，表层出现大量硅富集区。这一现象与其理论凝固组织特征不符。
图3 轮辐与外轮缘交接处Si元素富集
由铝硅二元合金相图（图4a）可知，A356合金位于亚共晶成分区间，且溶质分配系数k<1，当铝液温度低于液相线时首先结晶析出的是初生α-Al，Si元素沿固液界面前沿向液相扩散，导致剩余液相中Si含量随凝固过程进行逐渐升高，直到液相成分达到共晶点，剩余铝液全部结晶形成铝硅共晶组织（见图4b）。综上而言，后结晶区域Si含量应高于先结晶区域。
图4 铝硅二元合金相图及A356合金微观凝固组织形貌
对于低压铸造铝合金轮毂，与模具接触的试样表层冷却强度优于次表层，温度较低，属先结晶区域，其Si含量反而更高。为揭示这一反常现象原因，对轮辋位置表层区域微观组织结构进行观察，见图5，能够观察到由次表层通向表层的Si元素回流通道。结合亚共晶凝固原理，推断其形成过程：试样表层冷却强度高，首先结晶形核，Si元素逐渐向次表层扩散，造成次表层浓度暂时较高。但凝固过程中，铸件容易发生收缩，导致先凝固枝晶发生断裂，次表层未凝固的高浓度Si熔体在外界压力和自身收缩压应力共同作用下被挤压回流到次表层，既在铸件上留下明显“河流”样回流痕迹，又造成表层Si元素实际含量高于次表层。这种现象在相关研究报道中被称为逆偏析。之所以在轮辐与外轮缘等交接处Si元素偏析尤为严重，原因在于此处属于铸造热节，凝固速度慢，导致此处积累Si元素较多。
图5 轮辐与外轮缘交接处表层微观组织结构
3 结论
（1）低压铸造轮毂中Si含量自内轮缘-轮辋-外轮缘-轮辐逐渐降低，与铸件凝固时所处地势成正相关；
（2）轮毂表层Si含量明显高于次表层，在轮辐与外轮缘交接的热节位置尤其突出；
（3）Si元素在低压铸造轮毂中分布由重力、温度、外界压力三因素共同决定。
（4）低压铸造过程中，重力引起的宏观偏析现象难以避免，但Si在试样表层的富集可以通过调整冷却和外界加压条件予以避免或减轻。
来源：2020年第40卷第09期 申玉彬 低压铸造铝合金轮毂宏观偏析机理研究
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