99.低压铸造A356.2铝合金轮毂弯曲疲 劳性能研究

2010中国铸造活动周论文集-1-低压铸造A356.2铝合金轮毂弯曲疲劳性能研究门玲玲，王志峰，王月梅，王桂新，赵维民（河北工业大学材料科学与工程学院，天津300130）摘要：本文主要研究了低压铸造A356.2铝合金轮毂的弯曲疲劳性能。通过分析低压铸造铝合金轮毂裂纹的形成原因，就影响裂纹产生的各种因素进行研究，并对轮毂的外观尺寸，化学成分，机械性能和显微组织等进行了分析。材料分析结果表明：低压铸造铝合金轮毂弯曲疲劳性能主要与Sr的变质效果有关。当Sr变质效果不明显时(4#轮毂)，轮毂显微组织中存在较多的长条状Si相，且呈杂乱无章分布，弯曲疲劳性能较弱；当Sr变质效果良好时(6#轮毂)，共晶硅颗粒均匀细小，圆整度高，其弯曲疲劳性能较好，屈服强度比4#轮毂的屈服强度提高了0.5～1.0%，抗拉强度提高了0.6～1.3%，延伸率提高了2～6.5%。关键词：A356.2铝合金；轮毂；弯曲疲劳性能；变质；微观组织StudyontheBendingFatiguePerformanceoflow-PressurecastingA356.2AluminiumHubMENLing-ling,WANGZhi-feng,WANGYue-mei,WANGGui-xin,ZHAOWei-min(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130)Abstract:Thebendingfatigueperformanceoflow-pressurecastingA356.2AluminiumHubwasinvestigated.Accordingtotheresearchaboutdimensions,chemicalcomposition,mechanicalpropertyandmicrostructure,thefactorinfluencingfracturetoughnessofmaterialwereanalysed.Theresultsshowthatthebendingfatigueperformanceoflow-pressurecastingaluminiumhubwasconcernedtothemodificationeffectofSr,whenitwasnotapparent,thereweremoredisorderedstripsiliconphaseinthemicrostructureofhubandthebendingfatigueperformancewasweaker,buttheeutecticsiliconpossessedsmalleranduniformsizeandhigherspheroidization,sothebendingfatigueperformancewasbetterwhenmodificationeffectofSrwasgood.Comparedwith4#wheelhub,itsyieldstrength,tensilestrengthandelongationincreasedby0.5~1.0%,0.6~1.3%,2~6.5%,respectively.Keywords:A356.2Aluminium;Hub;Bendingfatigueperformance;modifier;microstructuralA356.2是一种铸造铝合金，它是Al-Si-Mg系合金，一般含Si和Mg为6.5%～7.5%、Mg0.3%～0.45%，Fe、Cu、Mn、Zn、Ti等为杂质。A356.2铝合金的铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[1]，被广泛用于飞机、轮船及汽车上某些复杂铸件，是铸造铝合金中应用最广的合金之一。由于它具有的良好的铸造性能和较高的综合力学性能，世界各国的铸造铝合金轮毂都是此类合金生产的。因此对A356.2铝合金轮毂各方面的性能进行研究具有重要的意义。本文对A356.2铝合金轮毂的弯曲疲劳进行了实验测定，并通过对断口进行观察和金相分析，对影响铝合金车轮弯曲疲劳的因素进行了分析，旨在为材料的应用提供设计和使用依据,确保设计和使用安全性。1实验材料及方法2010中国铸造活动周论文集-2-实验用的铝合金轮毂为秦皇岛中信戴卡轮毂制造有限公司提供的大众系列975车轮。其成分如表1：表1A356.2铝合金的化学成分（WB%）SiMgFeTiAl6.5～7.50.3～0.45≤0.20.08～0.20余量实验设备为MAKRA弯曲疲劳试验机BUP750，实验采用975系列车轮弯曲疲劳试验结果差异最大的两只车轮，我们把它们分别标成4#和6#车轮。其中4#车轮加载3600N·m，大约253万转后轮辐开裂；6#车轮加载3600N·m，2172.5万转后轮辐和轮心出现裂纹。通过分析研究这两只车轮的外观尺寸，硬度测量，力学性能及进行显微组织的分析等方法找出导致弯曲疲劳实验结果差异大的原因。2结果分析与讨论2.1外观尺寸分析对于同一种合金轮毂是否产生裂纹往往与轮毂外观尺寸有关，轮毂外观结构设计不同对轮毂裂纹有影响。对4#，6#轮毂进行了实际测量，其外观见图1,2。图14#车轮裂纹处图26#车轮裂纹处图3试样的硬度测量取点位置图2010中国铸造活动周论文集-3-表2车轮尺寸测量结果样轮轮辐轮辐厚度（mm）法兰厚度（正/mm）法兰漆厚度(um)重量（kg）弯曲疲劳（万转）131.3011219231.33122143（开裂）31.4247218431.3929212531.35822223'（开裂）31.35502154#Avg31.360544.22372179.962531（开裂）31.4383310231.3736308331.3749319431.4038312531.40743033'（开裂）31.38133136#Avg31.396644.718031110.002172.5注：1.轮辐厚度测量点距车轮中心均为95mm。从表2可以看出，6#轮辐厚度比4#轮辐厚度均值大36um，但表中可见6#开裂的轮辐1的厚度值最大，而其它开裂的轮辐的厚度值并非最大或最小，因而轮辐厚度可能与其是否开裂无相关联系。表中可见6#法兰厚度比4#厚484um，但由于6#法兰漆厚，而且在清洗过程中法兰下端的锈迹无法除去，6#的锈迹较4#多一些，因而可能6#车轮尺寸测量结果误差较大（偏大）。总体对比而言，两轮轮辐厚度无明显差异，微小尺寸差别可能并不是影响两车轮弯曲疲劳性能差异的主要因素。2.2硬度测量通过表2中显示6#车轮的硬度均值稍大于4#车轮，但差异不大。因此，在一定范围内，轮毂的裂纹与硬度关系不大。2010中国铸造活动周论文集-4-表3硬度分析(HBW5/250)结果取样部位硬度HBW5/250取样部位硬度HBW5/250取样要求80-105取样要求80-105192.1192.6297.5289.1395.4394.1495.9493.8轮辐597.0轮辐593.6687.9695.1794.6794.3897.0893.86#-3轮心X94.74#-3轮心X93.3193.1190.6297.0294.3396.7392.3497.0491.1轮辐594.9轮辐587.6696.5690.1797.0794.1894.6892.36#-3'轮心X95.84#-3'轮心X91.6注：表中X－平均值2.3力学性能分析对4#，6#轮毂进行了实体解剖，分析其力学性能，主要是屈服强度，抗拉强度和延伸率。轮毂综合力学性能数据结果见表4。通过表4力学性能测试结果表明，6#车轮的屈服强度、抗拉强度及延伸率值都高于4#车轮，说明6#轮机械性能优于4#轮。2.4微观组织分析对4#，6#轮毂进行实体解剖，分析其微观组织。主要分析了二次枝晶臂间距、硅相形态。由微观组织图可以看出，4#，6#轮毂微观组织相组成没有差别，均由α（Al）相和铝硅共晶区组成。二次枝晶臂间距与材料的强度有很大关系。研究发现，二次枝晶臂间距对力学性能的影响比晶粒度还要明显，这是因为晶内偏析、缩松及夹杂物的含量随二次枝晶臂间距的减小而趋于均匀［2］。二次枝晶臂越细小，则材料强度越高；反之，则越低。4#，6#轮毂的微观组织见图4。2010中国铸造活动周论文集-5-表46#和4#车轮力学性能试验结果屈服强度Rp0.2(MPa)抗拉强度Rm(MPa)延伸率A(％)车轮试样标识≥185/≥3.56#-5-1辐12032706.76#-5-2辐22052675.96#-5-心上32082675.46#-5-心下42102777.56#-5'-辐中间52042533.16#-4'-辐心结合处62022604.86#X2052665.64#-5-1辐72002544.04#-5-1辐82022574.84#-5-心上91992442.64#-5-心下102102676.44#-5'-辐中间111972534.34#-4'-辐心结合处121982514.04#X2012544.4注：表中X－平均值。试样直径Φ＝6mm，标距Lo＝30mm。轮心取样“6#-5心上”指靠近车轮正面，“6#-5-心下”指靠近背腔，4#同。(a)4#轮毂(b)6#轮毂图4轮毂微观组织（二次枝晶）由图4可知，4#轮毂二次枝晶粗大，而6#轮毂二次枝晶臂较细。铝合金的晶粒大小取决于形核的数量，同时也与晶粒的生长速度有关。在铸锭凝固过程中，不论是均匀形核还是在第二相上的非均匀形核都需要有一定的过冷度。不平衡凝固时，液相一侧将会造成元素的贫乏，而液相另一侧造成很大的成分过冷，从而促使非自发形核，使晶粒得到细化。100μm(a)(b)2010中国铸造活动周论文集-6-(a)4#疲劳断口(b)4#人工断口(c)6#疲劳断口(d)6#人工断口图5断口金相图为了对其断裂特征进行进一步的研究，在断口附近取金相样，通过图5进行显微组织的分析。由图5可以看出人工断口和疲劳断口金相图中，4#断口截面显微组织中存在较多变质不良的长条状Si相有的区域变质不良的Si相呈聚集状态，即存在较多局部Si相变质不良的区域。疲劳断裂类型有的部位是沿晶界断裂，有的是穿晶断裂，无明显规律。6#断口截面显微组织Si相呈小的颗粒状，只有很少区域存在变质不良的Si相，断口形貌无明显规律。轮辐靠近表层部分存在较多变质不良的Si相，呈小长条状，而心部Si相绝大部分呈细小颗粒状，变质良好。这可能是导致前述中人工断口表层和心部形貌差异的原因。3结论（1）低压铸造A356轮毂组织中，A1基体的共晶Si呈细小颗粒状不均匀分布于晶界处。轮毂不同部位处的晶粒大小有差别。当Sr变质效果不明显时(4#轮毂)，轮毂显微组织中存在较多的长条状Si相，且呈杂乱无章分布，弯曲疲劳性能较弱；当Sr变质效果良好时(6#轮毂)，共晶硅颗粒均匀细小，圆整度高。（2）低压铸造A356轮毂中，Sr变质效果良好时(6#轮毂)，其弯曲疲劳性能较好，屈服强度比4#轮毂的屈服强度提高了0.5%～1.0%，抗拉强度提高了0.6%～1.3%，延伸率提高了2%～6.5%。（3）导致两车轮弯曲疲劳试验结果差异大的主要原因是Sr变质效果的影响。参考文献：[1]王晓敏，董尚利，周玉，等.工程材料学[M].:哈尔滨工业大学山版社，2005.146-152.[2]JohnssonMat.GrainRefinementofAluminiumStudiedbyUseofAThermalAnalyticalTechnique[J].ThermochimicaActa，1995，256:107～121.100μm(a)(b)(c)(d)