鋁合金輪轂性能的影響因素

李玉濱

中圖分類號：TQ13文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120122－01

一、緒論

汽車鋁合金化是解決世界汽車工業(yè)面臨的能源、環(huán)境、安全等問題的有效措施，而輪轂的鋁合金化則是汽車鋁合金化應(yīng)用中的重要方面。使用鋁合金輪轂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制輪轂有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．節(jié)能效果好：一汽對奧迪車用鋁合金輪毅進(jìn)行節(jié)油統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，結(jié)果表明，對于轎車來說，每個(gè)鋁合金輪轂較鋼制輪轂可減輕重量30％-45％。而輪轂平均每減輕10%，在平均車速為90-12Okm的條件下，其油耗平均可減少0.0131L/100km。

2．散熱快，整車安全性高：鋁合金輪轂導(dǎo)熱性能好，有利于轎車因高速行駛輪胎發(fā)熱后的散熱，與相同條件下的鋼制輪轂比較，減少了轎車長距離高速行駛產(chǎn)生爆胎的可能，明顯提高了轎車高速行駛的安全性能。

3．尺寸精度高，整車行駛性能好：通常情況下，傳統(tǒng)鋼制輪轂的徑向和軸向允許跳動(dòng)值為±lmm，普通鋁合金輪轂的控制范圍在±0.5mm以內(nèi)，高檔鋁合金輪轂為±0.3mm以內(nèi)，輪轂的高精度有利于提高車輛起動(dòng)和變速的靈敏度。

4．成型性好：多變的“時(shí)裝”款式更能適應(yīng)現(xiàn)代化整車的要求，用鑄造法生產(chǎn)的鋁合金輪轂，可以制出各種形狀，適應(yīng)不同車型。

二、A356在輪轂生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前鋁合金中應(yīng)用最廣的是A356，A356是亞共晶鋁硅合金，其主要合金元素為硅、鎂、鈦、鐵，而稀土常常作為變質(zhì)和細(xì)化元素加入，從而對鋁合金的性能產(chǎn)生重要的影響。

決定低壓鑄造輪轂質(zhì)量好壞的因素除了原材料的成分外，后序各種處理過程的控制起到了關(guān)鍵性的作用。

（一）不同的合金元素對A356鋁合金的影響

1．硅的影響。硅（Si）是Al-Si組織中的第二相，Si含量的提高大大改善了合金的鑄造性能。由Al-Si合金的二元相圖得知，共晶成分的Wsi=12.6％。根據(jù)液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理，合金凝固時(shí)，其結(jié)晶溫度范圍越寬，樹枝晶就越發(fā)達(dá)，液流前端析出相對較少的固相，在較短的時(shí)間金屬便停止流動(dòng)。A356合金中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5-7.5%，當(dāng)Si含量偏上限時(shí)，其結(jié)晶溫度范圍較窄，能提高合金的流動(dòng)性。合金的力學(xué)性能與硅相的形狀系數(shù)高度線性相關(guān)，硅相的形態(tài)及大小對合金的力學(xué)性能有著顯著的影響。

2．鎂的影響。在A356合金中，鎂與硅可形成Mg2Si強(qiáng)化相，關(guān)于Mg含量對A356合金的影響規(guī)律，目前大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為隨著鎂含量的提高，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都會(huì)有所提高，而延伸率則降低。

3．鈦的影響。鈦能細(xì)化晶粒，鈦既可以和碳形成碳化鈦（TiC），也可以和硼形成TiB2。TiC具有與鋁相同的面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)和Al非常接近，熔點(diǎn)在3147℃，因此TiC可促使α(Al)形核，從而起到細(xì)化晶粒的作用。

4．鐵的影響。鐵對A356合金性能的影響：含鐵量增加，合金強(qiáng)度、延伸率降低，尤其是延伸率降幅較大，使合金變脆，塑性下降，其原因在于鋁硅合金中的鐵元素主要以β相(A19Fe2Si2)形式出現(xiàn)（為黑色針狀物），該相硬且脆，往往粗大的針狀穿過α相晶粒，削弱基體，降低合金延伸率和沖擊韌性，而且合金凝固越慢時(shí)，β相長得越粗大。

5．稀土元素的影響。稀土元素在鋁合金中的主要作用有：提高鑄造共晶Al-Si共晶合金性能；提高鋁合金的拋光性能；提高鋁合金的抗氧化性。稀土元素在A356合金熔煉過程中的主要作用有兩個(gè)：變質(zhì)和細(xì)化。在細(xì)化方面，稀土元素的金屬原子半徑在174pm至204pm之間，大于鋁的金屬原子半徑143pm，它易填補(bǔ)于生長中的鋁及其合金的晶粒新相的表面上，生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長的膜，從而使晶粒細(xì)化。此外，稀土元素和AlTiB同時(shí)加入，易生成極不穩(wěn)定的A1TiRE化合物，并很快被溶解在鋁熔體中，起到降低表面能的作用，使硼化物難以形成緊密團(tuán)塊，顆粒細(xì)小的硼化物不易產(chǎn)生沉淀，從而達(dá)到長時(shí)間保持細(xì)化效果的作用。

（二）后序處理的重要性

低壓鑄造鋁合金輪轂主要有熔煉、鑄造、熱處理、機(jī)加和涂裝等工藝步驟。下面著重介紹前三個(gè)工序。

1．熔煉和壓鑄。熔煉是鋁合金輪轂生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，尤其是熔煉成分的控制。鋁合金輪轂的力學(xué)性能和物理性能與合金成分有關(guān)，同時(shí)，合金成分也影響鑄造和加工工藝。在A356合金中，F(xiàn)e、Cr、Zn元素可以化合成復(fù)雜的生成物，而這種化合物硬度高，熔點(diǎn)也高，通常沉積在鋁液的下部，形成熔渣。稀土元素在鋁合金熔煉過程中是很好的變質(zhì)元素。早期研究認(rèn)為，加入1％的混合稀土可以使Al-Si合金獲得完全的變質(zhì)組織；但又有許多研究結(jié)果表明，用0.2％-0.7％的稀土元素就可以使共晶組織變質(zhì)。變質(zhì)處理后，合金的力學(xué)性能有了大幅度提高，不但抗拉強(qiáng)度有所提高，而且對延伸率的貢獻(xiàn)較其它合金元素更為突出。

2．熱處理。目前A356鑄造鋁合金輪轂的熱處理均采用T6熱處理工藝。熱處理作為產(chǎn)品的后續(xù)處理對于發(fā)揮材料的潛力有著舉足輕重的作用。固溶后的時(shí)效分單級時(shí)效和雙級時(shí)效。

采用傳統(tǒng)的T6熱處理工藝，A356合金的抗拉強(qiáng)度為280Mpa，屈服強(qiáng)度180Mpa，延伸率8-10%，低溫時(shí)效時(shí)共晶硅顆粒隨著時(shí)間的增加細(xì)化和球化效果增加。低溫時(shí)效初期，由于低溫時(shí)效有利于硅原子從Al-Si中的固溶析出，硅原子析出的速度大大增加，但此時(shí)硅原子主要以沉淀相和強(qiáng)化相形核核心的形式析出，而作為依附于共晶硅生長的原子析出數(shù)量很少。因此盡管硅析出的速度大于硅固溶的速度，但析出硅依附共晶硅生長的速度低于硅固溶到Al-Si中的速度，所以當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)效時(shí)間較短，共晶硅的形貌產(chǎn)生了一定量的球化和細(xì)化。當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)效時(shí)間過長時(shí)，共晶硅顆粒的形貌呈粗化趨勢。

三、結(jié)論

由以上敘述可得出結(jié)論：能源、環(huán)境和安全的問題使得鋁合金輪轂的市場前景很廣闊。根據(jù)鋁合金中各種不同元素的作用，可以根據(jù)使用性能的要求的不同合理地調(diào)整各種元素的含量，其中稀土元素是很重要的一項(xiàng)。在鋁合金輪轂生產(chǎn)中，熔煉、壓鑄和熱處理起著關(guān)鍵的作用，正確的使用相關(guān)技術(shù)是提高輪轂質(zhì)量的有效方法。

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