汽車輪轂用A356鋁合金特點

文/毛協(xié)民

汽車輪轂用A356鋁合金特點

文/毛協(xié)民

A356合金是一個典型的Al－Si-Mg系三元合金，是一個具有優(yōu)秀的綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能（流動性好、線收縮小、無熱裂傾向），可鑄造薄壁和形狀復雜的鑄件，而且通過熱處理可達到較高的強度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合，因此成為了汽車鑄造鋁輪轂的首選材質(zhì)。

為何選用美國標準

A356合金是美國鋁業(yè)協(xié)會標準中的一個牌號系列，這個系列有三個合金：A356.0、A356.1、A356.2，是356系列的一部分。其成分見表1。

可以看到，這Al－7Si－Mg系列的合金化學成分設計有以下特點：

無論是美國標準還是中國標準，其共同特點是具有相同的Si元素的成分范圍：（Si－6.5/7.5）；對于鎂元素來講，鑄件材質(zhì)要求的Mg在0.25~0.45；在美國標準中對鑄錠中的鎂元素要求提高了0.05%,即0.30~0.45，主要是考慮在熔煉時鎂元素的燒損。

該系列化學成分主要差別在于對雜質(zhì)含量的規(guī)定。對于美國標準而言，牌號的首位字母標致其性能高低的等級，以供選用者根據(jù)不同的應用要求來確定牌號。首位字母為B的性能最高，因此對雜質(zhì)的要求也最嚴。首位無字母的合金則性能較差，主要應用于一般要求的場合。A356系列則是介于之間的材質(zhì)。牌號的末位的數(shù)字（0，1，2）是根據(jù)不同的場合下，對各種雜質(zhì)的限定。A356.0是針對生產(chǎn)的鑄件的材質(zhì)而規(guī)定的材料成分；而A356.1、A356.2兩種牌號，則是根據(jù)不同使用要求，為生產(chǎn)鑄件的原材料即鑄錠所制訂的兩種成分。可以注意到，目前汽車輪轂鋁往往是用美國標準的A356.2的要求來規(guī)定其對合金鑄錠的要求的。對于中國標準而言，可以看到，在材質(zhì)分類上是分得比較粗的。ZL101系列主要規(guī)定了鑄件的材質(zhì)，要求高的為ZL101A；一般要求的為ZL101。中國標準沒有給出對用于鑄造的原材料，即鑄錠的成分要求。正因為這種情況，在目前汽車行業(yè)中鋁輪轂用鋁通常都選用美國標準來規(guī)定其成分和相應的要求。

表1 美鋁業(yè)356系列合金與國產(chǎn)ZL101系列鋁合金化學成分比較 單位：%

組織和凝固特性

A356合金是Al－Si二元合金中添加鎂、形成強化相Mg2Si，通過熱處理來顯著提高合金的時效強化能力，改善合金的力學性能。

在Al－Si－Mg三元系中，Mg2Si為穩(wěn)定化合物，可與鋁構成偽二元系，使Al－Si－Mg系分成α＋Mg2Si＋Si及α＋Mg2Si＋Mg5Al8二個三元共晶系，三元共晶溫度分別為558℃和448℃。A356合金處于α＋Mg2Si＋Si三元共晶系內(nèi)，其平衡組織為初生α＋（α＋Si）共晶＋Mg2Si。

在冷卻時，由液相先析出α鋁，隨著鋁的析出，液相成分變至二元共晶線，發(fā)生共晶反應L→α鋁＋Si。由于A356的含Si量僅為7%，所以，在液相成分沒達到三元共晶點時，液相消失，凝固完畢。凝固后的組織為初生α＋（α＋Si）共晶。凝固后，含有Si和Mg元素的鋁固溶體，在繼續(xù)冷卻過程中析出Si和Mg2Si。室溫下的組織為初生α鋁＋（α＋Si）共晶＋Mg2Si。在冷卻速度較快的鑄造過程中，次生相Si和Mg2Si彌散細小不易分辯，而表現(xiàn)出如圖3所示的α＋（α＋Si）共晶。在實際鑄造條件下，即在非平衡凝固的條件下，除基本相外，還可出現(xiàn)少量α＋Mg2Si＋Si三元共晶體和雜質(zhì)鐵等構成的雜質(zhì)相和一些復雜的多元共晶相。雜質(zhì)相主要有α（Fe3SiAl12）、β（Fe2Si2Al9）和Al8FeMg3Si6。這些針狀雜質(zhì)相會破壞基體的連續(xù)性，嚴重地影響著合金的性能，特別是材料的塑性和沖擊韌性。這種形態(tài)對材料的力學性能有很壞的影響，不采取相應的措施，改變硅相的形態(tài)分布，材料是很難有實用的價值。

熔體組織處理

熔體組織處理是在鋁合金熔煉過程中所進行的變質(zhì)處理和晶粒細化處理的統(tǒng)稱。為了獲得良好的性能綜合，A356合金在熔煉中必須進行變質(zhì)處理和細化晶粒處理。

1. A356合金的變質(zhì)處理

A356合金含有7%左右的硅相，硅主要以共晶硅的形態(tài)存在于基體中。在沒有處理的合金中，硅相是以片條狀的形態(tài)分布在鋁基體上，片條狀的脆性硅相會破壞鋁基體的連續(xù)性，嚴重影響合金的力學性能，特別是它的塑性和沖擊韌性。A356合金的變質(zhì)處理是通過加入一些微量元素來改善該合金中硅相的形狀、大小和分布，從而，有效地把片條狀硅相對性能的不利影響降低到最低程度。

Al－Si合金的變質(zhì)現(xiàn)象是1920年法國的A.Pacz發(fā)現(xiàn)的。向Al－Si合金熔體中加入少量的鈉可使共晶硅相形態(tài)大小發(fā)生很大變化，使原片狀硅球化和纖維化，有效地改善了合金的力學性能，使這種原來無法在工業(yè)上應用的合金一躍變成可廣泛應用的有良好的綜合性能的鑄造合金。但鈉變質(zhì)在長期工業(yè)應用過程中發(fā)現(xiàn)有過早衰退失效的問題，鈉的變質(zhì)效果只能維持幾十分鐘，使其應用很不方便，變質(zhì)的穩(wěn)定性很差。使人們開始了長效變質(zhì)劑的開發(fā)研究。

A356合金的變質(zhì)，目前主要是采用鍶（Sr）變質(zhì)。鍶變質(zhì)有很好的長效性，可使變質(zhì)效果維持長達5~8小時。正因為這特性，在目前的鋁輪轂鑄造生產(chǎn)中，普遍應用這種變質(zhì)方法。但研究表明，鍶的加入加大了鋁熔液的吸氣性。因此在熔煉工藝中，必須采取相應的措施，來防止合金的吸氣。

2. A356合金的細化晶粒處理

生產(chǎn)實踐已證明，組織的細化可有效改善合金的性能。合金的晶粒細化處理，其基本原理是向合金熔體加入少量能形成異質(zhì)形核的物質(zhì)，在熔體內(nèi)產(chǎn)生大量的結晶核心，使合金在凝固時獲得細小的晶粒。對A356合金而言，組織的細化主要是指合金的基體－α鋁固溶體的晶粒細化。通常在A356合金熔煉時，加入少量的Ti和B。利用鈦與鋁形成的Al3Ti能作為α鋁固溶體的結晶核心，起到異質(zhì)核心作用，細化鋁合金組織。

熱處理強化

鎂和硅在鋁中的固溶體隨溫度的變化，其Mg2Si固溶度有很大的變化。這種特性使A356合金有很好的熱處理強化的可能。在工業(yè)上可以通過淬火時效熱處理（一般用T5規(guī)范）來實現(xiàn)熱處理強化。

α＋Mg2Si＋Si共晶體的熔點是550℃，所以，A356合金的淬火溫度應為低于該溫度的535℃。在該溫度下，經(jīng)過30分鐘，Mg2Si相就已完全溶入固溶體中了。根據(jù)生產(chǎn)實際情況，由于鑄件組織的不均勻，通常要求保溫時間不小于2小時。淬火可在冷水中進行，也可根據(jù)零件的壁厚和復雜程度決定在熱水（70℃~100℃）中淬火。最常用的時效規(guī)范是淬火后加熱到150℃~160℃保溫3~5小時。提高溫度或延長保溫時間都會顯著降低A356合金的塑性。

研究表明，在時效過程中，Mg和Si從鋁中析出是按以下方式進行：

1. 最初原子按照鎂原子和硅原子相互接近的方向遷移，并重新組合形成過渡相β＇，在固溶體內(nèi)這種原子的重新組合，往往導致晶體點陣的畸變。

2. 繼而β＇過渡相形核，形成具有六方點陣的β＇相。由于該相與母體點陣無共格關系，晶體點陣的畸變導致大量位錯的積聚，這就是淬火時效使A356合金強化的原因。

3. 進而，形成六方點陣的穩(wěn)定的β－Mg2Si相。在較低的時效溫度下時效時，固溶體析出穩(wěn)定的β－Mg2Si相進行得很慢，但在高溫下（在300℃）只需30min就全部析出了。

在時效時析出的Mg2Si相質(zhì)點是很小的，即使在300℃高溫時效時，Mg2Si相的質(zhì)點尺寸也僅為幾百個納米。因此，對于A356合金而言，它的強化相一般的顯微鏡下很難觀察到。

輪轂用A356合金熔煉的特點

汽車輪轂是關系到汽車安全的關鍵零件，對汽車輪轂用材的力學性能有很苛刻的要求。不僅要有足夠的強度，還要有很好的塑性和沖擊韌性。與此同時，對鋁輪轂鑄件的內(nèi)部冶金質(zhì)量也有很高的要求。從而，大大提高了做鋁輪轂的材質(zhì)要求。因此，也就對輪轂用的A356合金的熔煉提出了很高的要求。歸納下來，有以下幾個方面的要求：

1. 對汽車輪轂用的A356合金而言，其化學成分，特別是對其雜質(zhì)含量的控制有很嚴格的要求。提供給做輪轂的A356合金錠，必須按A356.2標準來要求。對含鐵量而言，要控制在0.12%以下，其他雜質(zhì)，如Cu、Zn、Pb、Ca等都有非常低的控制范圍。這對熔煉的成分控制提出了非常高的要求。由于對鋁輪轂鑄件的內(nèi)部冶金質(zhì)量有很高的要求（針孔度要求達到一級，不允許有氧化夾雜、縮松、裂紋等任何缺陷等），因此對鑄造用鋁熔液的冶金質(zhì)量提出了苛刻的要求。如熔液的含氫量、凈化程度等都要有嚴格的控制。

2. 為了使輪轂鋁獲得好的綜合性能，因此對A356合金的鋁熔液的熔體組織處理也提出了特殊的要求。無論是硅相的變質(zhì)處理，還是α鋁固溶體的晶粒細化處理都必須做到較高的標準。正因為有這樣苛刻的要求，也就突顯出A356合金熔煉的特點。配制A356合金的原材料的選擇是熔煉合格A356合金的第一關口。無論是原料化學成分（包括其主要合金元素和各種雜質(zhì)元素的含量），還是原料的冶金質(zhì)量（無論是含氣量還是雜質(zhì)含量）都必須嚴格按要求控制。特別是想用廢棄鋁來煉制汽車輪轂用A356合金，在這方面的控制就更為重要，建立廢棄鋁分選的質(zhì)量控制體系就是勢在必行，它是保障生產(chǎn)出合格的A356合金的第一環(huán)。

必須嚴格控制熔煉過程中的二次污染，這是生產(chǎn)汽車用輪轂鋁A356合金的第二特點。實踐表明，鋁液的品質(zhì)在很大程度上將取決于該合金的熔煉過程有無二次污染，特別是要求極高的汽車輪轂用鋁液。有效防止在熔煉過程中鋁液與爐襯、爐氣的反應，控制熔煉過程中的增鐵、夾雜和元素的燒損，解決熔煉過程中鋁液的吸氣和氧化等問題將是生產(chǎn)這種高品質(zhì)汽車輪轂用A356合金的熔煉技術核心要點。

配制最有效的熔體處理工序，在A356合金熔煉過程中，是又一個特點。這也許會提高些處理成本，但它是必須的。熔體的處理有兩部分：熔體的凈化處理和熔體組織控制處理。凈化處理是將熔液的含氫量和氧化夾雜量控制在最低程度；熔體組織控制是采用有效的變質(zhì)處理和細化晶粒處理來優(yōu)化合金組織，改善合金組織性能。在A356合金的熔煉中，為了保證其冶金質(zhì)量的要求，通常都是配以最有效的熔體處理工序來完成其熔煉工序的。開發(fā)高效、優(yōu)質(zhì)、無污染鋁合金熔體凈化變質(zhì)處理技術，將是實現(xiàn)廢棄鋁優(yōu)質(zhì)再生用于生產(chǎn)汽車輪轂鋁工程中要攻克的技術難關。

隨著人類社會的發(fā)展，以汽車為代表的運輸工具，越來越成為人們生活必不可少的組成部分。汽車工業(yè)必將隨之出現(xiàn)迅猛發(fā)展。由于汽車的輕量化、節(jié)能等方面的要求，鋁輪轂在汽車上的應用比例越來越高。輪轂鋁的需求量也必然越來越大。

輪轂鋁在我國的生產(chǎn)幾乎100%是用原生鋁來配制的。據(jù)筆者所知，我國還沒有一家生產(chǎn)汽車輪轂鋁的企業(yè)是用廢棄鋁來生產(chǎn)的。大批的廢棄汽車輪轂鋁只能重熔，降級使用，造成了資源的浪費和經(jīng)濟的損失。開發(fā)研究技術實現(xiàn)用廢棄鋁再生生產(chǎn)能滿足汽車輪轂性能要求的輪轂鋁，以減少汽車輪轂生產(chǎn)對原生鋁的依賴，一方面，為減少自然資源的消費，降低能耗和成本作出了貢獻，另一方面，也為提高再生鋁自身的使用價值，拓展應用領域，增加效益，指出了方向。相信，在我們大家的共同努力下，用廢棄鋁生產(chǎn)汽車輪轂鋁A356合金，必將會大大地向前邁進一步。