重型汽车轮毂铸造工艺设计优化及应用
黄光伟 韦 民
（合肥江淮铸造有限责任公司，安徽 合肥 231137）
摘要 重型汽车轮毂铸件，材质为QT500-10牌号。为保证铸件有较高的机械性能，对铁水成分进行了合理优化设计，同时为满足产品结构完整，无缩孔、缩松等铸造缺陷，对造型工艺进行了有效改进，使产品性能、质量得到了提升。
关键词 重卡轮毂；铸造工艺改进；成分设计；浇注系统；坭芯结构
随着国家基础设施建设的发展，促进了我国运输车辆进一步向重型化趋势迈进，越来越倾向于使用大功率、重吨位的载货汽车。轮毂铸件是重型卡车关键零部件之一， 它与刹车鼓、轮辋和轮胎组成总成件，起着连接制动和车辆承载的重要作用，是汽车行驶的重要安全部件。因此，要求轮毂具有较好的综合性能，不仅具有较高的强度、韧性，还需要有较高的尺寸精度。
根据产品的使用要求，对重卡轮毂的铸造工艺进行了改进优化，生产的轮毂铸件性能优良、成品率提高。在工艺设计优化及生产过程中，使用CAE软件进行充型凝固模拟；使用中频感应电炉熔炼合成铸铁；使用日本东久无箱水平线造型。
1 轮毂铸件质量指标
因重卡载重量大，轮毂铸件材质必须具有良好的综合性能，以满足用户需要，避免产品在使用过程中出现失效开裂等现象。根据使用特性，特对轮毂铸件规定其性能技术指标：
（1）机械性能：抗拉强度≥500MPa、延伸率≥10%、硬度HBW175～190；
（2）金相组织：石墨球化率≥85%、珠光体15～35%、渗碳体+磷共晶＜2%、其余为铁素体。
2 化学成分优化
通常，抗拉强度与延伸率是一对相互矛盾的性能指标，材料强度越高往往会造成延伸率降低。为此，考虑在增加珠光体含量以提高强度、硬度的同时而保证延伸率维持在一定高水平上，以满足产品质量指标的要求。在原材料配比和熔炼工艺上再进行优化，原材料不再使用新生铁，而使用打包废钢和球铁回炉料；炉前采用Si-Mn合金进行孕育；炉内采用增碳工艺；球化孕育处理后铁水满足C+0.23Si的值在共晶点附近。下面表1是工艺改进前后轮毂铸件的各项数据对比情况。
表1 优化前后轮毂的化学成分、性能和基体组织数据
分类
化学成分（%）
机械性能
金相组织（%）
抗拉强度(MPa)
延伸率(%)
改进前
C
3.65～3.90
≥500
≥7
珠光体5～15，
渗碳体+磷共晶<2，
余量铁素体。
Si
2.30～2.60
Mn
0.35～0.45
P
＜0.05
S
＜0.02
Mg
0.04～0.07
Re
≤0.04
改进后
C
C+0.23Si≈4.30
≥500
≥10
珠光体15～35，
渗碳体+磷共晶<2，
余量铁素体。
Si
Mn
0.35～0.55
P
＜0.05
S
＜0.02
Mg
0.04～0.06
Re
≤0.03
3 浇注系统改进
原工艺设计中，浇注系统采用两个浇道分散热量，将内浇道开设在法兰壁薄处，见图1（a），以防止铸件热节处被浇口铁液加热。但生产过程中发现在下模热节处出现缩松缩孔情况，如图1（b）所示。经分析认为此处在充型时被铁水持续加热，形成热节，而此位置距冒口较远，无法补缩。改进后浇注系统见图2所示，采用单浇道并将铸件翻转180度，同时将冒口布置在铸件出现缩松缩孔处，虽然此处仍然是铁水充型通道，但冒口容易对该热节处进行补缩。并且产品翻转180度以后，法兰处热节放于下模，最先充入铁水，并可进行压力补缩。
（a）铸件浇注系统 （b）产品解剖后热节处缩孔
图1 改进前铸造工艺及产品解剖图片
a、铸件浇注系统 b、产品解剖后无缩孔缩松
图2 改进后铸造工艺及产品解剖图片
4 坭芯结构改进
轮毂铸件基本结构类似圆柱体，中间有法兰，由于内腔局部内凹，无法直接起模吊砂，需要设置坭芯，分型面设置在法兰部位。由于生产线与轮毂结构的限制，铸件内部坭芯采用人工下芯。图3为工艺改进前的坭芯结构，其质量较大，不便人工下芯并影响工作效率。改进后，设计了一种局部吊砂加环形砂芯结构工艺的新型坭芯，如图4所示。采用这种坭芯结构工艺，一方面减轻了坭芯重量，降低了坭芯成本，提高了下芯效率，另一方面还降低了坭芯高度，两头采用吊砂设计则降低了坭芯对尺寸精度的影响，提高了产品的铸造精度。
图3 改进前坭芯结构示意图 图4 改进后坭芯结构示意
5 结论
（1）在轮毂铸件成分优化中，控制C+0.23Si≈4.3%，并通过炉前Si-Mn合金孕育等手段，能够稳定生产出合格的材质。
（2）改进浇注系统设计，冒口移近热节，解决冒口补缩距离长所造成的缩松、缩孔缺陷。
（3）改进坭芯结构设计，采用环形坭芯结构和局部吊砂的工艺，提高了铸造精度，降低了铸造生产成本。
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