摘要：针对ZL205A轮毂铸件在加工过程中出现的裂纹缺陷，通过宏观观察、断口形貌分析、化学成分检测和力学性能测试等手段，深入探究裂纹形成原因，并提出优化铸造工艺和砂芯结构的有效解决方案，成功消除裂纹缺陷，提高铸件合格率。
导读
针对ZL205A轮毂铸件在加工过程中出现的裂纹缺陷，通过宏观观察、断口形貌分析、化学成分检测和力学性能测试等手段，深入探究裂纹形成原因，并提出优化铸造工艺和砂芯结构的有效解决方案，成功消除裂纹缺陷，提高铸件合格率。
高强韧铸造铝合金是生产高性能铝合金铸件的基础，我国在20世纪80年代自主研发出铝铜系铸造合金ZL205A，该合金T6状态抗拉强度≥500 MPa，伸长率≥5%，已被广泛应用于航空航天领域。近年来，随着装甲车减重、提高机动性等要求，快速推动了装甲车钢制轮毂的轻量化工作。开发出的ZL205A合金轮毂铸件，已成功应用至某型装甲车。但是，铝合金轮毂铸件在生产过程中存在质量不稳定的问题，如铸件在加工过程或者加工后荧光检验过程中在端面壁厚过渡区域发现宏观裂纹的问题，裂纹缺陷不但降低了铸件生产合格率，还严重影响铝合金轮毂铸件的使用性能。
【文章来源及内容】
中国航发北京航空材料研究院和北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心杜旭初、黄粒等在《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第1期发表了题为“装甲车用铝合金轮毂铸件裂纹缺陷研究”的文章。文章针对ZL205A轮毂铸件在加工过程中存在裂纹缺陷的问题，通过对铸件裂纹的宏观形貌、断口形貌、金相组织观察，结合铸件力学性能检测和化学成分分析，对铸件裂纹产生的原因进行深入研究，并提出了优化措施。
【研究亮点】
本研究通过系统的分析手段，揭示了ZL205A轮毂铸件裂纹形成的根本原因，并提出优化铸造工艺和砂芯结构的有效解决方案，成功消除了裂纹缺陷，显著提高了铸件的合格率和使用性能，为铝合金铸件裂纹缺陷的解决提供了重要的参考依据。
【研究方法】
铸件在加工过程或者加工后荧光检验过程中发现轮毂铸件沿轴向出现了延伸性扩展裂纹，宏观裂纹主要集中分布于轮毂铸件的壁厚过渡区域表皮以下。沿裂纹进行人工破坏后，采用丙酮对断裂块进行了超声波清洗，清洗后的铸件断口形貌见图2。可以清晰看出裂纹源（圆圈处）和裂纹扩展河流花样。由宏观断口形貌与裂纹扩展形式可以看出，铸件开裂的断裂机制为沿晶断裂，肉眼可以观察到断口表面呈明亮的沿晶断裂裂纹。
图1轮毂铸件裂纹宏观形貌
图2铸件断口宏观形貌
将人工打开后的断口按照图3取样，取样部位按1、2、3标识，将试样超声清洗后置于FEI QUANTA 200环境扫描电镜下观察。
图3断口取样示意图
采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）在铸件裂纹取样（均匀占取3处），测试化学成分，结果见表1。可见，铸件化学成分均满足GB/T 1173-2013。
在裂纹附近和远离裂纹的未开裂区域分别取3根拉伸试样，性能检测发现裂纹附近的力学性能不满足技术指标，未开裂区域的力学性能满足技术指标要求。
【全文解读】
1 开裂原因分析与优化
1号区域断口有少量韧窝，局部位置存在缩松，缩松尺寸均不超过300 μm，断口表现为沿脆性相开裂特征，同时在断口上发现液态断口特征。
图41号位置断口形貌
2号区域断口微观形貌与1号位置断口微观形貌一致，断裂形貌表现为沿脆性相的开裂特征，局部可见少量韧窝和缩松，在其断口上也发现液态断口特征。
图52号位置断口形貌
3号区域的断口微观形貌与1号位置断口微观形貌一致，断口表现为沿脆性相开裂特征，在断口也存在液态断口特征，对液态断口进行EDS分析，结果显示该处成分为正常的ZL205A合金成分。
图63号位置断口形貌及EDS分析
图7为距离开裂处30 mm截面的宏观组织。可以看出，低倍组织中有明显的针孔缺陷。
图7裂纹附近组织
铸件裂纹处的金相组织正常，主要为α-Al固溶体和呈弥散质点状在晶内和晶界上析出的Al12Mn2Cu相，无过烧现象，但有明显的缩松缺陷，平均晶粒尺寸为256.74 μm。
图8裂纹处金相组织
远离未开裂区域的拉伸试样断口局部可见少量韧窝，未观察到明显缩松组织。
图9未开裂区域拉伸试样断口微观形貌
开裂区域拉伸试样断口形貌。可见断口局部也存在少量韧窝，但相比未开裂区域，断口上观察到了大量明显的缩松组织（见圆圈区域），导致综合力学性能较差。
图10开裂区域拉伸试样断口微观形貌
2原因分析
裂纹断口微观形貌呈沿脆性开裂特征，局部可见少量韧窝，断口存在缩松缺陷，在断口上存在液态断口特征。距离开裂处30 mm截面的低倍组织存在明显的针孔缺陷；开裂部位高倍金相组织正常，无过烧现象，存在明显的缩松缺陷，平均晶粒尺寸达256.74 μm，晶粒尺寸明显粗大。对比裂纹附近和远离裂纹的未开裂区域的力学性能，可见开裂区域的力学性能明显低于未开裂区域的。另外，裂纹附近的化学成分与技术要求对比，检测结果未见明显异常。
综上所述，轮毂铸件开裂与其内部质量及在铸造凝固过程中的受力有关，轮毂铸件存在缩松、针孔缺陷，导致其力学性能降低；其次，断口存在液态断口特征，说明铸件裂纹产生于凝固过程中，铸件心部尚存在固液两相。这说明轮毂铸件产生裂纹跟凝固过程中壁厚过渡区域受力有关。铸件在凝固时，铸件热节部位受到3个力：①铸件由于内、外层冷却速率差异，热节部位产生应力；②铸件凝固收缩时铸件本体对热节部位的拉应力；③砂芯阻止铸件凝固收缩对铸件热节部位的压应力，见图11。
图11铸件凝固过程受力示意图
由于ZL205A合金铸件凝固结晶时，首先形成α-Al相，随着温度降低，α-Al初生相连成晶体骨架。凝固末期，壁厚过渡区域在3个作用力达到或超过晶粒间的结合力时，晶粒裂开分离，从而产生裂纹。结合有关研究可知，合金在凝固末期会形成枝晶搭桥，枝晶搭桥的存在加强了合金凝固后期晶粒之间的结合力，而当晶粒间收缩受到阻碍时，晶粒间的搭桥会被破坏，使得晶粒间断开连接，从而发生开裂。
3优化措施
原工艺模拟结果见图12。顶部设环型冒口，该工艺由于冒口大，凝固时间长，容易引起冒口与铸件接触部位过热，导致铸件顶端晶粒粗大并容易产生缩松。针对以上情况进行工艺改进，将冒口分成6个小冒口，可以满足补缩需要，见图13。更改后铸件顶端的凝固时间缩短，也不会引起铸件顶端过热，可有效提高铸件的内部质量。
图12优化前的铸造工艺模拟
图13优化后的铸造工艺模拟
将砂型做成中空结构，在铸件在凝固时，可以提高砂芯型芯的退让性，且通过增加每块砂芯之间的间隙，释放内应力。通过优化工艺，提高铸件的内部质量；将砂芯更改成空心结构并设置间隙，改善树脂砂型芯的退让性，凝固末期铸件的热节部位内应力降低。通过以上措施，铸件在加工及加工后的荧光检测过程中未发现裂纹缺陷。
【主要结论】
（1）ZL205A轮毂铸件开裂受铸件内部质量及铸造凝固受力影响较大。铸件开裂区域存在明显缩松、针孔缺陷，在凝固收缩过程中，受内外冷速不均产生的应力、凝固收缩拉应力以及砂芯阻碍收缩压应力影响，导致铸件热节部位开裂。
（2）优化冒口形状、尺寸可有效改善铸件顶部过热；增加砂型间隙、采用中空砂型，增加型芯退让性，降低铸件内应力，铸件开裂问题得到明显改善。
【引用格式】
杜旭初，厉沙沙，黄粒，等. 装甲车用铝合金轮毂铸件裂纹缺陷研究［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（1）：118-122.
DU X C，LI S S，HUANG L，et al. Crack defects in aluminum alloy wheel hub castings for armored vehicles［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（1）：118-122.
扩展阅读：欢迎登陆，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。
编辑/排版：江姗
校对：刘晨辉
审核：张正贺
来源：特铸杂志