1 裂纹描述

　　现场生产的2226轮型在冒口附近的螺栓孔上出现裂纹。毛坯表面裂纹上存在着打磨痕迹，由此判断毛坯在压铸工序即发现表面裂纹存在。图1为旋压工序所提供的裂纹形貌。热处理工序毛坯进行热处理，随后我将热处理后的毛坯切开后加以分析。

　　螺栓裂纹处剖开后进行显微组织观察所获得的结果，放大倍数为50倍，其中照片中下侧对应的是螺栓孔方向。观察可以发现：螺栓口一侧Si偏析严重，裂纹在表层下形成后沿发生Si偏析区域向毛坯内部扩展，直至Si偏析不严重区域终结，裂纹长度大约为14mm。初步认定裂纹生成位置为图2中A处。

　　从项目管理组了解到：2226、2227、2228三款轮型在热加工环节一致，其区别仅在于后继表面处理工艺的不同。在今年对该轮型进行了第一轮试制，压铸工序共生产400件，成品率为88%，在随后2228轮型的冲击试验中，轮毂在上述位置出现裂纹，将其掰开后裂纹路径中存在着缩孔，使用经X光检查确认无缩孔的轮毂进行冲击试验通过。同时，2222轮型的造型与2226的造型基本相同，尽管在压铸工序没有发现明显的裂纹，但是在后序中仍有螺栓孔处裂纹发现。本次试制为第二次试制，表1与表2分别为两次试制的工艺参数。比较两次试制的工艺可以发现：第2次试制在法兰盘处，尤其是螺栓孔处的冷却有一定加强。

　　2 初步分析

　　可以基于所获得的信息做出下述判断：

　　由于螺栓孔对应底模处是一个近于孤立的凸起，热量不容易传出，造成该处的模具温度比较高，对应于该处的冷却过程较长（相对于轮心其他位置亦是如此），使得硅相有较长的时间进行析出，导致该处发生明显的硅偏析。而发生硅偏析的区域相对于其他区域更容易发生裂纹的生成和扩展，即对裂纹的敏感度更高，为裂纹沿硅偏析区域扩展至硅偏析较轻的区域。由轮毂的造型和模具原理决定该处的结构不容易改变，因而，有较深螺栓孔所造成的螺栓孔近表面区域硅偏析不可避免。

　　另外，第2次试制的螺栓孔处冷却较强，个人怀疑这次试制所使用的工艺也造成该处凝固过程不均匀，在铸造过程中即留下微小裂纹。同时，相对于第1次试制，毛坯从模具取出后由机械手控制淬水冷却，而非以往经过较长一段时间空冷后淬水，毛坯中心冷却不充分，导致微小裂纹迅速扩展。比照操作手的处置方法可以得到进一步的佐证：操作手在发现裂纹后停止使用机械手淬水，将毛坯空冷一段时间后使用水槽冷却。

　　此外，轮毂的造型也对其自身的冷却过程造成影响，形状过渡过于突然的造型不利于热应力的释放。对于2226轮型，该因素是造成螺栓孔裂纹的本证因素。在工程仿真组所进行对913轮型的研究中发现，毛坯刚出模时螺栓孔处的应力为36MPa，放入水中冷却90s后的同一位置最大应力为179MPa。

　　对于螺栓孔处产生的裂纹一般的解决办法是减小螺栓孔的深度，初步判断是为了使该处造型变化平缓并且降低该处的温度，进而降低对裂纹的敏感程度。另外，个人认为还要注意螺栓孔附近的冷却工艺，改善凝固过程，减少微小裂纹的产生，从裂纹源上减少螺栓孔裂纹的产生。

　　对于02006轮型，曾经采用在螺栓柱中开槽来缓和热应力裂纹，但是造成毛坯脱模困难，甚至是法兰与轮辋分离，故而使用后改回原始状态。

　　在改变螺栓柱深度的同时，还可以将其表面改为倾斜状态，但是在毛坯螺栓孔内要保留一个平台方便尺寸定位。

　　除了螺栓孔裂纹以外，实际生产中还存在着装饰孔裂纹和排水槽裂纹，对应前者一般采用的方法是降低装饰孔深度的办法加以解决，与降低螺栓柱高度的办法类似，对应后者可以加高排水槽高度，改善该处的凝固过程来加以解决。

　　工程仿真组使用Procast软件按照第1次试制工艺分别对螺栓柱高度变化前后的毛坯进行了分析，分析结果表明：两种造型在毛坯凝固结束后在螺栓柱和冒口之间区域处的第一主应力最大值分别为17.4MPa和13.9MPa，不足以产生明显的热应力裂纹。然而，在入水冷却后第一主应力最大值迅速上升，造成裂纹产生，但是，螺栓柱高度降低后，第一主应力由111MPa降低至50.6MPa，基本上不再产生裂纹。经过固溶处理后，淬水的毛坯在相应位置处的第一主应力最大值分别为52MPa和45MPa，不足以产生裂纹。综合上述结果可以判定：裂纹主要在入水冷却阶段产生，缓和该阶段的热应力是解决问题的关键。

　　3 建议解决方案

　　目前，2226轮型由螺栓柱顶端到螺栓孔机加线的最小垂直距离为13.2mm，有较大的削低空间。针对于2226即将进行第3次试制的情况，生产时建议关注以下三点：

　　（1）削低螺栓柱10mm，同时增加拔模角度，减小造型变化激烈程度，缓和应力并降低该处模具温度。

　　（2）避免使用机械手冷却，空冷足够时间后淬水冷却。

　　（3）调节螺栓孔附近冷却工艺，改善凝固过程。

　　解决类似的裂纹问题的思路主要有两种：其一是改善在毛坯凝固后的冷却方式，改急冷为缓冷，减小毛坯不同位置处的温度差异，目前现场采取的自然冷却或者中心喷淋水冷后再入水的措施道理都在于此。其二是通过变更工艺参数，一方面降低了容易出现裂纹位置区域的温度差异，另一方面也改善了该区域的组织和性能，工部长所提出的变更模具冷却方案的初衷即为此。

　　4 实际解决方案

　　根据该轮型的实际情况，首先由产品工程师向汽车厂提出修改法兰造型，大幅增加法兰排水槽深度，但是经过FEA分析，发现刚度下降严重，明显低于判据值，最后被汽车厂所否定。随后根据原有造型提出修模方案。其中，降低螺栓孔高度，减少该处模具热量；增加T5风，修改T4处顶模背腔线使T4冷却加强，增加B1高度并增加B1、B2风孔数量，从而极大地加强了法兰处的冷却，达到改善此区域凝固过程的目的。

　　表3为2011年6月4日进行第3次试制的工艺参数，结合修模方案，生产中无螺栓孔裂纹出现。

　　5 进一步的研究

　　为了进一步认识螺栓孔处裂纹的形成机制和解决办法，还要对变更模具冷却方案后毛坯的凝固过程和入水冷却过程进行模拟，来验证冷却方案对避免或减少毛坯裂纹的生成的作用，并提供理论支持。

　　此外，还可以基于本文中的研究内容进一步研究在轮毂低压铸造过程中的其他部分，比如轮辐中段、产生裂纹的机制以及解决方案。

　　参考文献

　　[1] 杨裕国.铝压铸成型及质量控制[M].北京：化学工业出版社，2009.

　　[2] 陈国桢，肖柯则，姜不居.铸件缺陷和对策手册[M].北京：机械工业出版社，1996.

　　[3] 许云华，马幼平.金属凝固原理及技术[M].北京：冶金工业出版社，2008.

　　[4] 金蕴琳，等.最新实用压铸技术[M].北京：兵器工业出版社，1993.