轮毂是一种轴对称动力传动部件，其中心是连接轴的位置。轮毂是机械装置上一个关键零部件[1-2]。在机械运转过程中，轮毂受到机械制动和转动过程中的冲击、振动和摩擦等强载荷作用，对轮毂铸件材质要求高。轮毂大多采用球墨铸铁材质，朱爱军等[3]和刘冰[4]针对出口双槽轮毂和风电发电机轮毂使用要求，材质分别选取QT450-12 和GGG35.3 球墨铸铁。 随着设备功率和转速的增大，轮毂承受的载荷加大，对轮毂的强度、韧性、硬度等提出了更高要求[5-6]，等温淬火球铁具有高强、高韧、耐磨等优异性能，近年来得到越来越广泛应用[7-8]。等温淬火时间通常在60 min 以上(最高达3 h)， 以保证工件的淬透性，刘慧玲等[8]对QTD800-10 轮毂进行了热处理工艺研究， 确定出最佳热处理工艺为奥氏体化温度920 ℃、时间120 min，等淬温度370 ℃、时间60 min。而此次生产的轮毂铸件不同部位硬度要求有很大差异，给等温淬火工艺提出了高要求。本文对轮毂技术要求和结构特点进行分析，设计出合适的铸造工艺和热处理工艺方案，成功开发生产出合格的轮毂产品。
1 轮毂结构分析和技术要求
1.1 结构分析
轮毂的整体结构如图1 所示， 其轮廓尺寸为φ230 mm×103.5 mm， 零件质量约为10.4 kg。 图1a所示轮毂中心有一高度45.5 mm、节圆直径φ52.5 mm的齿轮孔，齿数为35 个、齿宽为2.75 mm，齿轮的高度、节圆直径和齿宽的公差范围为±0.2 mm，轮盘两边有2 个椭圆形通孔(长径为21.5 mm、 短径为20 mm)。图1b 所示轮毂底部有一与三个圆孔相切，长度为150 mm 的浅凹槽。 图1c 所示轮毂中部有1个宽为112 mm、高为17.5 mm 的深孔，深孔直穿轮毂中部。 轮毂上部为一圆柱，圆柱的直径为89.5 mm，齿轮上部为漏斗形的凹槽， 凹槽斜度为30°， 高度为12.8 mm。 第1 个平面和第2 个平面之间的高度为12.8 mm，直径为102.2 mm。 第2 个面到第3 个面的距离为19.7 mm。 由剖面图(图1d)可以清晰看出轮毂的内部结构：齿轮孔贯穿零件中心，零件左右两端有2 个圆柱形孔洞，左右两侧各有1 个方形耙齿孔。 由此可见，该零件结构较复杂，对造型过程要求比较高[8-9]。
图1 轮毂三维图：(a)顶面；(b)底面；(c)侧面(A 向)；(d)剖面(B-B)
Fig.1 3D diagrams of the wheel hub:(a)top surface;(b)bottom surface;(b)side(A direction);(d)section(B-B)
1.2 技术要求
客户要求的轮毂材料强度和伸长率按国标GB/T 24733-2023 中的QTD 1400-2，对轮毂不同硬度有特殊要求，轮毂下表面硬度要求在380～420 HB 之间，φ52.5 mm 齿轮面拉削前的毛坯表面硬度要求低于330 HB(芯部硬度要求也低于330 HB), 铸件尺寸公差按CT11 要求[10-11]，零件齿轮面和上部喇叭口面粗糙度要求高(Ra3.2 μm)，为满足齿轮面硬度、尺寸精度和粗糙度要求[12]，此处齿轮面孔为不铸出孔，即做成实心(不包含喇叭口)，需要后续机加工达到，其它面的粗糙度要求为Ra12.5 μm， 铸件质量约为12.4 kg[13]。
2 铸造工艺设计
2.1 造型方案的确定
黏土湿型砂铸造所用原材料来源广、成本低，造型方式的适应性好，生产效率高，适用于多种合金材质，有害气体排放少，旧砂容易回收再利用，是一种绿色环保的铸造方法， 该轮毂生产采用黏土湿型砂铸造工艺。 所用黏土砂配比为(质量分数，%，下同)：新砂加入量为10%，煤粉加入量为1.3%，膨润土加入量为2.4%，水分加入量为3%～4%，一箱4 件。
2.2 浇注位置和分型面的确定
由图1c 和d 可以看出，轮毂铸件两侧有方形大耙齿孔，造型时起模不利，故需要采用砂芯成形，为便于造型起模， 在垂直于齿轮主轴的耙齿孔中间位置进行分型，轮毂大平面朝下，内浇道设置在轮缘外侧分型面处，如图2 所示。
图2 浇注位置和分型面的选取
Fig.2 Selection of the pouring location and parting surface
2.3 砂芯设计
轮毂铸件两侧方形大耙齿孔采用砂芯形成，砂芯使用酚醛树脂覆膜砂制芯， 砂芯两侧设计有方形芯头定位，确保造型下芯和浇注过程中砂芯稳固。
2.4 浇冒系统的设定
采用半封闭中注式浇注系统，浇注时金属液充型平稳，浇注系统挡渣效果好，利于型腔内气体排出[14]。每个轮毂铸件各设置了两道扁薄内浇口，间隔180°，可有效避免多道内浇口相距过近导致的铸件局部过热[15]，横浇口末端设置冒口，金属液通过冒口流经内浇口进入铸件型腔，不仅起到补缩作用，还可起到集渣、防止卷气等作用[16]。 单个内浇道尺寸为60 mm×4 mm，共8 个内浇口，总截面积19.2 cm2，4 个横浇道总截面积为30.0 cm2； 直浇道尺寸为φ40 mm，截面积12.56 cm2；浇注系统截面比例ΣA 直∶ΣA 横∶ΣA 内=1 ∶2.38 ∶1.53，冒口尺寸为(mm)：φ80(下)/φ70(上)×150(高)。 轮毂的模具布置和砂芯、浇冒口系统如图3。
图3 轮毂模具布置及浇冒口系统：(a)模具布置；(b)浇冒口系统
Fig.3 Mold layout and gating-feeding system of the wheel hub:(a)mold layout; (b)gating-feeding system
3 生产验证
3.1 熔炼和浇注工艺
在生产过程中采用1 t 中频感应电炉熔炼铁液[17]，熔炼所用主要原材料有Q10 或Q12 生铁、 打包废钢、回炉料，其比例为0.30%∶0.30%∶0.40%。炉前化学成分控制范围为：3.60%～3.95%C、1.2%～1.4%Si、0.20%～0.40%Mn、≤0.05%P、≤0.03%S、≤0.3%Mo、≤0.8%Cu。 球化处理采用包内冲入法，球化剂为稀土镁球化剂(FeSiMg8RE3)， 加入量为1.2%； 采用75SiFe 中间包和浇包内二次孕育，孕育剂加入量各为0.2%～0.25%。 出炉温度控制在1 550 ℃左右，由于轮毂结果较复杂、壁厚不均匀，故浇注温度控制在(1 380±20)℃。
3.2 热处理工艺
根据产品高强、高韧、耐磨材质技术要求，抗拉强度和伸长率为QTD1200-4 或QTD1400-2，轮毂本体不同部位硬度有特殊要求，芯部硬度应小于330 HB，表面硬度范围为380×420 HB。为满足轮毂本体不同部位硬度要求， 故在前期铸造时把轮毂齿轮中心孔设计为实心(不铸出孔，后续加工得到齿轮孔)，对等温淬火热处理工艺方案进行优化设计：通常情况下等温淬火热处理时间控制在1 h 以上， 但为了得到铸件表面硬度380×420 HB、 芯部硬度小于330 HB的工艺要求，采用900 ℃×2 h 奥氏体化，然后在硝酸盐池盐浴中进行280 ℃×35 min 的等温淬火处理[18]。采用不铸出孔，铸件先短时等温淬火热处理[19-20]，然后机加工齿轮孔。 这样的工艺设计有以下2 个好处：①表面淬硬层能保证耐磨；②先热处理，然后加工的花键孔与齿轮轴配合精度更好，花键硬度适中和主轴配合安全系数高[21]。
3.3 材质检测结果
按照上述铸造工艺和热处理工艺方案进行了批量生产，轮毂铸件未发现明显的缩孔缩松、夹渣、气孔等铸造缺陷，图4 为某次生产的铸件实物。
图4 轮毂铸件实物
Fig.4 Wheel casting
图6 和7 分别为轮毂外表面和心部的金相组织图，两个样品的位置分别位于图5a 和b。 样品经过打磨和抛光后通过4%(体积分数)的硝酸酒精溶液进行腐蚀后可以通过金相显微镜观察轮毂外表面与芯部基体组织的区别[20,22]。 可以看出，外表面组织为奥铁体， 心部为细片状珠光体。 外表面奥铁体满足轮毂使用过程中具有好的耐磨性， 心部珠光体组织有利于后续加工齿轮孔。
图5 轮毂剖面
Fig.5 Profile diagram for wheel hub
图6 轮毂外表面金相组织：(a)腐蚀前；(b)腐蚀后
Fig.6 Metallographic structure of the austempered wheel hub:(a)before etching;(b)after etching
采用钢研纳克检测技术有限公司SparkCCD 6500 直读光谱仪进行化学成分分析检测，采用上海蔡康光学仪器有限公司SHBRV/187.5 数显布洛维硬度计进行硬度测试， 铸件外表面硬度检测部位为图5b 位置，芯部硬度检测部位为图5c 位置，各检测3 次。 采用济南时代试金仪器有限公司JB-300 摆锤冲击试验机和广州材料试验机厂WE-30 万能材料试验机进行冲击性能和拉伸性能测试， 批量生产轮毂铸件的化学成分、 金相组织和力学性能等检测结果如表1～4 所示。 从轮毂中心处经线切割得到尺寸为10 mm×10 mm×10 mm 的方块形试样用于化学成分分析，从表1 检测结果可以看出，化学成分符合材质标准要求。图6 可以看出轮毂的球化级别为2 级，球体半径为6 级， 基体组织为奥氏体+针状铁素体(奥铁体)；图7 可以看出轮毂的球化级别为2 级，球体半径为6 级， 基体组织为片状珠光体和少量奥铁体。 经多次检验后，从表2 和3 可以看出轮毂材质性能符合客户技术要求。 铸件经后续机加工齿轮孔等位置显示，刀具磨损未发现异常现象，刀具的使用寿命在1 000 件以上。
表1 铸铁的化学成分
Tab.1 Chemical composition of the cast iron(mass fraction/%)
Detection itemsCSiMnSPMgRE Target value3.3～3.82.0～2.80.2～0.4≤0.03≤0.050.03～0.060.01～0.04 Actual value 3.662.520.350.0170.0320.0410.012 3.602.680.310.0180.0280.0450.012 3.522.540.350.0170.0360.0500.012
表2 试块的金相组织
Tab.2 Metallographic structure of the test block
Detection items Spheroidization level(level)Ball diameter size(grade)Matrix value26Orferrite(austenite+acicular ferrite)Actual
表3 附铸试块的力学性能
Tab.3 Mechanical properties of the attached cast test block
Detection items Brinell hardness(HB)Target value≥1 400≥2.0≥60380～480 Tensile strength/MPa Elongation/%Impact toughness/(J·cm-2)1 5724.070415 1 4615.183401 1 4854.886404 Actual value
表4 轮毂本体硬度
Tab.4 Hardness of the produced wheel hub
Detection itemsBrinell hardness on the outer surface(HB)Brinell hardness of the core(HB)Target value380～420≤330 Actual value 398.1305.4 406.0306.0 406.2304.3
图7 轮毂心部金相组织：(a)腐蚀前；(b)腐蚀后
Fig.7 Metallographic structure of the central part of the austempered wheel hub:(a)before etching;(b)after etching
4 结论
(1)采用半封闭式中间引入浇注系统，横浇道末端设置侧冒口，每个轮毂铸件两道内浇口呈180°布置等措施，有效控制了铸件中缩孔缩松、气孔和冷隔等缺陷。
(2)通过将轮毂齿轮中心孔设计为不铸出孔，并对等温淬火热处理工艺方案进行优化设计， 采用900 ℃×2 h 奥氏体化， 后在硝酸盐池盐浴中进行280 ℃×35 min 等温淬火处理，满足了轮毂本体不同部位硬度等材质技术要求， 轮毂尺寸形状满足图纸要求。
(3)按照本研究设计的铸造工艺和等温淬火热处理工艺，实现了轮毂铸件的批量生产。
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