铝合金汽车轮毂铸造问题分析与处理办法

   铝合金汽车轮毂铸造问题分析与处理办法

　　汽车铝合金轮圈在铸造冷却的过程中，会因为熔液的流速、冷却等因素控制不良而产生收缩及裂痕等缺陷，影响到轮圈的强度无法通过弯曲测试。本文由铸造的基本程序以及轮圈的铸造过程了解汽车轮圈铸造问题产生的原因，评估如何藉由计算机辅助分析的方法来帮助解决汽车轮圈铸造时所产生的问题。

　　1. 金属铸造基本理论

　　金属铸造程序分为三个步骤，加热、将熔化的的金属灌注到模穴中、最后冷却及凝固。

　　1.1 加热(Heating)

　　铸造时首先要将金属加热到熔点以上，然后再注入模穴之中凝固。加热时所供给的能量需要大于将金属熔解的能量，这样融熔的金属才有时间能够充填模穴。因此加热金属所需提供的热能包含(1)将金属加热至熔点温度时的热量、(2)金属由固态改变成液态的熔解热、以及(3)加热至灌注温度时所需的热量，可由以下公式表达：

　　其中H为将金属加热至灌注温度时所需的总热量，ρ为密度，Cs为金属固态时比热，Tm为金属熔点温度，T0为环境温度，Hf为熔解热，Cl为金属液态时比热，Tｐ为灌注温度，V为金属开始加热时的体积。式(1)所求出的数值只是一个大略的估计，因为有许多热量的特性会随温度的改变而改变，而且一般铸造都是使用合金，所以式(1)只是用来说明铸造加热的概念。

　　1.2 灌注融熔金属(Pouring the Molten Metal)

　　将金属加热到灌注时的温度是个重要的因素，由于灌注温度高于金属的融熔温度使得融熔的金属为过热(superheat)的状态。越高的灌注温度液态金属的流动性(fluidity)越好，模穴的充填也就越快。但流动性太好的融熔金属则会穿透到沙模颗粒间的小空洞，这样铸造出来的金属表面便会有许多的小颗粒。

　　将融熔金属倒入模穴中的速度(pouring rate)也是影响铸造成品质量优劣的重要因素。流速太慢则熔液尚未填满模穴之前便开始冷却凝固，流速太快则会形成紊流(turbulent flow)，紊流会使得金属的氧化作用加快因而在凝固时会产生缺陷或裂缝，另外融熔金属的密度高，模具表面遭受到融熔金属紊流的冲击而加重侵蚀(mold erosion)而缩短了模具的使用寿命。

　　1.3 冷却及凝固(Cooling and Solidification)

　　熔液填满模穴之后便开始冷却，合金冷却时温度与时间的关系如图1所示，由于合金含有不同的金属，因此合金由液态转变成固态的过程中会有一段液态固态共存的区域如图1中左图所示，而其凝固的温度也不会如同单一金属保持在固定的温度，会有一段温差。由灌注温度冷却到固态所需的时间称之为凝固时间(solidification time)

　　影响凝固时间的因素有很多，包括铸件的体积、表面积，模具材料的比热、热传导系数以及铸造金属的比热、熔解热、热传导系数等，因此凝固时间可以藉由一经验公式“Chvorinov’s Rule”来估算。

　　其中TST代表凝固时间(total solidification time)，V为铸件的体积，A为铸件的表面积，指数n的值通常设为2，Cm为铸模系数(mold constant)，此系数需经由实际的铸造过程所推得，它包含了模具材料与铸造金属的材料性质，以及灌注温度等参数的综合。由式(2)我们可以了解在在铸造凝固的过程中影响冷却速度两大因素：模具体积与表面积的比例AV以及模穴散热的能力Cm，式(2)除了能预估整体的冷却时间，也指出如果我们要针对局部的冷却速度作调整，也需由此两个方向着手。例如在冷却速率较慢的部位采用散热较快的金属模具材质，或是在AV比值较小温度冷却较快的部分加以保温减缓冷却速率，以利熔液能顺利流动补充。

　　1.4 收缩(Shrinkage)

　　在冷却的过程中材料会产生收缩(shrinkage)，收缩的过程可分为三个阶段如图2所示，第一个阶段当融熔金属由灌注温度下降至开始凝固温度时会产生约0.5%的液态收缩(liquid contraction)，如图2中的(1)所示。金属开始由与模具接触的表面向内凝固，由图2中(2)所示当液态凝固成固态时又会产生凝固收缩(solidification shrinkage)，铝合金的凝固收缩约7%。最后凝固后的金属将冷却至一般的室温会如(3)所示的固体热收缩(solid thermal contraction)，以铝合金来说其收缩的幅度约为5%。由于凝固是由外往内，因此从步骤(2)至(3)可以观察到由于内部凝固的速度较迟，会产生收缩空洞(shrinkage cavity)，这是在冷却时所该注意的因素。