一种铝合金车轮金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用低压铸造工艺制作铝合金车轮的方法，更特别地说，是一种按照顺序凝固时间在结晶保压阶段继续增压的、制备铝合金车轮的、金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法。
【背景技术】
[0002]与传统的重力铸造相比，低压铸造充型速度可控，金属液流动平稳、减少了二次夹杂。与砂型铸造相比，金属型铸造冷却速度快，更容易得到细小致密组织和高的力学性能，也更容易实现自动化和洁净化生产，所以，金属型低压铸造广泛用于生产铝合金车轮、底盘零件、发动机部件等汽车零部件生产领域和航空航天等军工生产领域。
[0003]低压铸造工艺过程可由作用在金属液表面的压力一时间曲线来反映。典型的砂型低压铸造压力一时间曲线包括升液、充型、结壳增压、结壳保压、结晶增压、结晶保压和卸压七个阶段。
[0004]金属型低压铸造与砂型低压铸造由于铸型材料的不同，一般省去结壳阶段，因此，金属型低压铸造工艺过程为:升液、充型、结晶增压、结晶保压和卸压五个阶段。
[0005]铝合金车轮有助于汽车实现轻量化、降低油耗、减轻环境污染与改善操作性能。目前85%以上的乘用车配置了金属型低压铸造方法生产的铝合金车轮。然而，随着汽车轻量化要求日益增强，现有铝合金车轮低压铸造生产技术的局限性开始显现。如何进一步提高车轮力学性能，已成为制约铝合金车轮进一步轻量化的瓶颈。
[0006]铝合金车轮典型结构如图1，自中心向夕卜，依次为轮心、轮辐、轮辋，轮辋的内侧、外侧分别称为内轮缘、外轮缘。摘自《铝加工》，陈志，李昌海《Magmasoft模拟条件与低压铸造铝车轮生产条件匹配性研究》，2015年第6期总227期。对于15吋?26吋乘用车车轮，轮心部位壁厚一般为25?50mm，轮福部位壁厚一般为10?25mm，轮辋壁厚一般为10?13mm，轮福轮辋过渡处存在较大的热节，厚度约27?35_。低压铸造生产中，必须依据车轮结构特征设计充型和冷却工艺，实现顺序凝固，以提高补缩效果、消除或减轻缩孔缩松等铸造缺陷。
[0007]铸件在压力下凝固，是低压铸造区别于普通铸造的根本特征。结晶增压压力直接影响补缩效果。对于铝合金车轮金属型低压铸造，实际生产中考虑到铸型合模力的限制以及模具间缝隙带来的铝液飞溅、铸件飞边毛刺等问题，结晶增压压力一般为50?80kPa，特殊条件下增大到80?150kPa，限制了通过提高结晶增压压力进一步提高铸件组织致密度和力学性能的可行性。
【发明内容】
[0008]针对现有铝合金车轮经金属型低压铸造方法难以实现高结晶增压压力的问题，结合铝合金车轮结构特点和顺序凝固工艺要求，在保留现有低压铸造方法充型速度可控特点的前提下，提出一种在结晶保压阶段根据凝固顺序持续增压的、制备铝合金车轮的、金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法，以进一步减少缩孔缩松等铸造缺陷、提高铝合金车轮组织致密度和力学性能。
[0009]本发明的一种金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法，所述金属型低压铸造至少包括有升液阶段、充型阶段、结晶增压阶段、结晶保压阶段和卸压阶段;其特征在于:是将所述的结晶保压阶段更改为结晶保压增压阶段；
[0010]所述结晶保压增压阶段的步骤为:
[0011](A)以5?20kPa/s的速度增大结晶保压压力，直到结晶保压压力到100?200kPa，然后保压到内轮缘、外轮缘凝固结束;若内轮缘、外轮缘凝固结束时，仍未到达100?200kPa压力，则在内轮缘、外轮缘凝固结束后执行步骤C;
[0012](B)内轮缘、外轮缘在充型完成后8?40s凝固结束；
[0013](C)以10?20kPa/s的速度增大结晶保压压力，直到结晶保压压力到210?300kPa，然后保压到轮辋凝固结束;若轮辋凝固结束时，仍未到达210?300kPa，则在轮辋凝固结束后执行步骤E;
[0014](D)轮辋在充型完成后12?130s凝固结束；
[0015](E)以20?40kPa/s的速度增大结晶保压压力，直到结晶保压压力到310?100kPa，然后进入保压阶段；
[0016](F)轮辐轮辋过渡部位在充型完成后30?260s凝固结束；
[0017](G)轮心部位在充型完成后90?500s凝固结束，继续保压10?60s后卸压。
[0018]本发明的另一种金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法，所述金属型低压铸造至少包括有升液阶段、充型阶段、结晶增压阶段、结晶保压阶段和卸压阶段;其特征在于:是将所述的结晶保压阶段更改为结晶保压增压阶段；
[0019]所述结晶保压增压阶段的步骤为:
[0020](A)以5?20kPa/s的速度增大结晶保压压力，直到结晶保压压力到100?200kPa，然后保压到内轮缘、外轮缘凝固结束;若内轮缘、外轮缘凝固结束时，仍未到达100?200kPa压力，则在内轮缘、外轮缘凝固结束后执行步骤C;
[0021 ] (B)内轮缘、外轮缘在充型完成后8?40s凝固结束；
[0022](C)以20?40kPa/s的速度增大结晶保压压力，直到结晶保压压力到310?lOOOkPa，继续保压200?700s后卸压。
[0023]本发明的再一种金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法，所述金属型低压铸造至少包括有升液阶段、充型阶段、结晶增压阶段、结晶保压阶段和卸压阶段;其特征在于:是将所述的结晶保压阶段更改为结晶保压增压阶段；
[0024]所述结晶保压增压阶段的步骤为:
[0025](A)以5?20kPa/s的速度增大结晶保压压力，直到结晶保压压力到100?200kPa，然后保压到内轮缘、外轮缘凝固结束;若内轮缘、外轮缘凝固结束时，仍未到达100?200kPa压力，则在内轮缘、外轮缘凝固结束后执行步骤B;
[0026](B)继续增大结晶保压压力，在轮心凝固结束时，增大结晶保压压力到310?lOOOkPa，继续保压10?60s后卸压。
[0027]本发明的一种制备铝合金车轮的金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法优点在于:
[0028](I)采用本发明方法制备A356铝合金车轮，与目前现有低压铸造加压方法相比，凝固补缩效果显著提高，在模具结构和合模力不变的情况下，可将轮辐部位强度提高10?50%，延伸率提高25?70%。显著降低了对模具结构和合模力的要求，同时避免了铝液的溢出、飞溅和铸件飞边、毛刺等缺陷。
[0029](2)采用本发明方法与现有的铝合金车轮金属型低压铸造相比，进入结晶保压阶段后，根据现场试验和数值模拟，并结合模具特征点的实时测温，顺序增大结晶增压速度，最终结晶增压压力达到310?lOOOkPa，增压速度达到5?40kPa/s。可进一步减少缩孔缩松等铸造缺陷、提高铝合金车轮组织致密度和力学性能。
[0030](3)采用本发明方法与现有差压铸造相比，差压铸造有上下两个压力罐，下压力罐为保温炉和铝液坩祸，上压力罐为铸型(砂型或金属型模具)，同步压力一般在300?lOOOkPa。本发明仅有一个下压力罐，铸型直接暴露在大气中，结晶保压压力即可高达310?100kPa，显著简化了铸造工艺，降低了设备要求。
【附图说明】
[0031 ]图1是铝合金车轮典型结构特征图。
[0032]图2A是本发明的改进的结晶保压顺序增压方式的压力一时间曲线图。
[0033]图2B是对比实施例1制得的26吋A356合金车轮的力学性能图。
[0034]图2C是实施例1制得的26吋A356合金车轮的力学性能图。
[0035]图3A是本发明的改进的结晶保压顺序增压方式的压力一时间曲线图。
[0036]图3B是实施例5制得的26吋A356合金车轮的力学性能图。
[0037]图4A是本发明的改进的结晶保压顺序增压方式的压力一时间曲线图。
[0038]图4B是实施例6制得的20吋A356合金车轮的力学性能图。
【具体实施方式】
[0039]下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0040]一般地，金属型低压铸造方法制备铝合金车轮，通常浇口放在轮心部位。充型过程中，高温铝液自轮心经轮辐流向外轮缘，最后达到内轮缘。为了实现良好的补缩效果，必须控制铝合金车轮凝固的过程，实现顺序凝固，即首先由轮辋上下两端(即内轮缘、外轮缘)往中间轮辋轮辐过渡部位顺序凝固，随后轮辐部位由外向内顺序凝固，轮心部位最后凝固。一般地，凝固过程包括开始凝固、凝固中和凝固结束。对于常用的15吋?26吋铝合金汽车车轮，选用金属型低压铸造生产工艺;冷却方式为风冷、风冷与雾冷混合、或者风冷与水冷混合;模具选用金属铸型，可以是由上模、下模和四个侧模或者两个侧模组成的金属型模具。内外轮缘一般在充型完成后8?40s凝固结束，轮辋一般在充型完成后12?130s凝固结束，轮辐轮辋过渡部位一般在充型完成后30?260s凝固结束，轮心部位一般在充型完成后90?500s凝固结束。
[0041]为了进一步降低金属型低压铸造铝合金车轮的缩孔缩松等铸造缺陷、提高铝合金车轮的组织致密度和力学性能，本发明提出了一种铝合金车轮金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法，所述结晶保压增压方法加载在常规金属型低压铸造制备铝合金车轮的结晶保压阶段与卸压阶段之间。所述的结晶保压增压方法充分考虑了铝合金车轮结构特征、冷却条件和模具结构特点。铝合金车轮结构特征如图1所示。
[0042]本发明提出的是一种增加了结晶保压增压的金属型低压铸造方法来制备铝合金车轮，(即一种铝合金车轮金属型低压铸造成型用结晶保压增压方法)本发明方法包括有:升液阶段、充型阶段、结晶增压阶段、结晶保压增压阶段和卸压放气阶段。具体地说:
[0043]步骤一，升液阶段；
[0044]调节升液阶段的压力为18?21kPa，升液速度为1.8?2.2kPa/s;
[0045]将18?21kPa的压缩空气通入密封的保温炉中，铝液在压力的作用下沿升液管平稳上升至铸型浇口处，并流入铸型中；
[0046]步骤二，充型阶段