鋁管價格，鋁管生產廠家、鋁合金汽車輪轂鑄造問題分析與處理辦法

汽車鋁合金輪圈在鑄造冷卻的過程中，會因為熔液的流速、冷卻等因素控制不良而產生收縮及裂痕等缺陷，影響到輪圈的強度無法通過彎曲測試。本文由鑄造的基本程序以及輪圈的鑄造過程了解汽車輪圈鑄造問題產生的原因，評估如何藉由計算機輔助分析的方法來幫助解決汽車輪圈鑄造時所產生的問題。

　　1. 金屬鑄造基本理論

　　金屬鑄造程序分為三個步驟，加熱、將熔化的的金屬灌注到模穴中、最后冷卻及凝固。

　　1.1 加熱(Heating)

　　鑄造時首先要將金屬加熱到熔點以上，然后再注入模穴之中凝固。加熱時所供給的能量需要大于將金屬熔解的能量，這樣融熔的金屬才有時間能夠充填模穴。因此加熱金屬所需提供的熱能包含(1)將金屬加熱至熔點溫度時的熱量、(2)金屬由固態改變成液態的熔解熱、以及(3)加熱至灌注溫度時所需的熱量，可由以下公式表達：

　　其中H為將金屬加熱至灌注溫度時所需的總熱量，ρ為密度，Cs為金屬固態時比熱，Tm為金屬熔點溫度，T0為環境溫度，Hf為熔解熱，Cl為金屬液態時比熱，Tｐ為灌注溫度，V為金屬開始加熱時的體積。式(1)所求出的數值只是一個大略的估計，因為有許多熱量的特性會隨溫度的改變而改變，而且一般鑄造都是使用合金，所以式(1)只是用來說明鑄造加熱的概念。

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

　　將金屬加熱到灌注時的溫度是個重要的因素，由于灌注溫度高于金屬的融熔溫度使得融熔的金屬為過熱(superheat)的狀態。越高的灌注溫度液態金屬的流動性(fluidity)越好，模穴的充填也就越快。但流動性太好的融熔金屬則會穿透到沙模顆粒間的小空洞，這樣鑄造出來的金屬表面便會有許多的小顆粒。

　　將融熔金屬倒入模穴中的速度(pouring rate)也是影響鑄造成品質量優劣的重要因素。流速太慢則熔液尚未填滿模穴之前便開始冷卻凝固，流速太快則會形成紊流(turbulent flow)，紊流會使得金屬的氧化作用加快因而在凝固時會產生缺陷或裂縫，另外融熔金屬的密度高，模具表面遭受到融熔金屬紊流的沖擊而加重侵蝕(mold erosion)而縮短了模具的使用壽命。

　　1.3 冷卻及凝固(Cooling and Solidification)

　　熔液填滿模穴之后便開始冷卻，合金冷卻時溫度與時間的關系如圖1所示，由于合金含有不同的金屬，因此合金由液態轉變成固態的過程中會有一段液態固態共存的區域如圖1中左圖所示，而其凝固的溫度也不會如同單一金屬保持在固定的溫度，會有一段溫差。由灌注溫度冷卻到固態所需的時間稱之為凝固時間(solidification time)

　　影響凝固時間的因素有很多，包括鑄件的體積、表面積，模具材料的比熱、熱傳導系數以及鑄造金屬的比熱、熔解熱、熱傳導系數等，因此凝固時間可以藉由一經驗公式“Chvorinov’s Rule”來估算。

　　其中TST代表凝固時間(total solidification time)，V為鑄件的體積，A為鑄件的表面積，指數n的值通常設為2，Cm為鑄模系數(mold constant)，此系數需經由實際的鑄造過程所推得，它包含了模具材料與鑄造金屬的材料性質，以及灌注溫度等參數的綜合。由式(2)我們可以了解在在鑄造凝固的過程中影響冷卻速度兩大因素：模具體積與表面積的比例AV以及模穴散熱的能力Cm，式(2)除了能預估整體的冷卻時間，也指出如果我們要針對局部的冷卻速度作調整，也需由此兩個方向著手。例如在冷卻速率較慢的部位采用散熱較快的金屬模具材質，或是在AV比值較小溫度冷卻較快的部分加以保溫減緩冷卻速率，以利熔液能順利流動補充。