文/毛協(xié)民

汽車(chē)輪轂用A356鋁合金特點(diǎn)

文/毛協(xié)民

A356合金是一個(gè)典型的Al－Si-Mg系三元合金，是一個(gè)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(dòng)性好、線收縮小、無(wú)熱裂傾向），可鑄造薄壁和形狀復(fù)雜的鑄件，而且通過(guò)熱處理可達(dá)到較高的強(qiáng)度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合，因此成為了汽車(chē)鑄造鋁輪轂的首選材質(zhì)。

為何選用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

A356合金是美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)牌號(hào)系列，這個(gè)系列有三個(gè)合金：A356.0、A356.1、A356.2，是356系列的一部分。其成分見(jiàn)表1。

可以看到，這Al－7Si－Mg系列的合金化學(xué)成分設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

無(wú)論是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)還是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其共同特點(diǎn)是具有相同的Si元素的成分范圍：（Si－6.5/7.5）；對(duì)于鎂元素來(lái)講，鑄件材質(zhì)要求的Mg在0.25~0.45；在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(shí)鎂元素的燒損。

該系列化學(xué)成分主要差別在于對(duì)雜質(zhì)含量的規(guī)定。對(duì)于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)而言，牌號(hào)的首位字母標(biāo)致其性能高低的等級(jí)，以供選用者根據(jù)不同的應(yīng)用要求來(lái)確定牌號(hào)。首位字母為B的性能最高，因此對(duì)雜質(zhì)的要求也最嚴(yán)。首位無(wú)字母的合金則性能較差，主要應(yīng)用于一般要求的場(chǎng)合。A356系列則是介于之間的材質(zhì)。牌號(hào)的末位的數(shù)字（0，1，2）是根據(jù)不同的場(chǎng)合下，對(duì)各種雜質(zhì)的限定。A356.0是針對(duì)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(hào)，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?？梢宰⒁獾剑壳捌?chē)輪轂鋁往往是用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的A356.2的要求來(lái)規(guī)定其對(duì)合金鑄錠的要求的。對(duì)于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)而言，可以看到，在材質(zhì)分類(lèi)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有給出對(duì)用于鑄造的原材料，即鑄錠的成分要求。正因?yàn)檫@種情況，在目前汽車(chē)行業(yè)中鋁輪轂用鋁通常都選用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定其成分和相應(yīng)的要求。

表1 美鋁業(yè)356系列合金與國(guó)產(chǎn)ZL101系列鋁合金化學(xué)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(qiáng)化相Mg2Si，通過(guò)熱處理來(lái)顯著提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力，改善合金的力學(xué)性能。

在Al－Si－Mg三元系中，Mg2Si為穩(wěn)定化合物，可與鋁構(gòu)成偽二元系，使Al－Si－Mg系分成α＋Mg2Si＋Si及α＋Mg2Si＋Mg5Al8二個(gè)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(shí)，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(yīng)L→α鋁＋Si。由于A356的含Si量?jī)H為7%，所以，在液相成分沒(méi)達(dá)到三元共晶點(diǎn)時(shí)，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(guò)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(guò)程中，次生相Si和Mg2Si彌散細(xì)小不易分辯，而表現(xiàn)出如圖3所示的α＋（α＋Si）共晶。在實(shí)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(gòu)成的雜質(zhì)相和一些復(fù)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(huì)破壞基體的連續(xù)性，嚴(yán)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(duì)材料的力學(xué)性能有很壞的影響，不采取相應(yīng)的措施，改變硅相的形態(tài)分布，材料是很難有實(shí)用的價(jià)值。

熔體組織處理

熔體組織處理是在鋁合金熔煉過(guò)程中所進(jìn)行的變質(zhì)處理和晶粒細(xì)化處理的統(tǒng)稱(chēng)。為了獲得良好的性能綜合，A356合金在熔煉中必須進(jìn)行變質(zhì)處理和細(xì)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(méi)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(huì)破壞鋁基體的連續(xù)性，嚴(yán)重影響合金的力學(xué)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(guò)加入一些微量元素來(lái)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(duì)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(guó)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(xué)性能，使這種原來(lái)無(wú)法在工業(yè)上應(yīng)用的合金一躍變成可廣泛應(yīng)用的有良好的綜合性能的鑄造合金。但鈉變質(zhì)在長(zhǎng)期工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有過(guò)早衰退失效的問(wèn)題，鈉的變質(zhì)效果只能維持幾十分鐘，使其應(yīng)用很不方便，變質(zhì)的穩(wěn)定性很差。使人們開(kāi)始了長(zhǎng)效變質(zhì)劑的開(kāi)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(zhǎng)效性，可使變質(zhì)效果維持長(zhǎng)達(dá)5~8小時(shí)。正因?yàn)檫@特性，在目前的鋁輪轂鑄造生產(chǎn)中，普遍應(yīng)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(yīng)的措施，來(lái)防止合金的吸氣。

2. A356合金的細(xì)化晶粒處理

生產(chǎn)實(shí)踐已證明，組織的細(xì)化可有效改善合金的性能。合金的晶粒細(xì)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(jié)晶核心，使合金在凝固時(shí)獲得細(xì)小的晶粒。對(duì)A356合金而言，組織的細(xì)化主要是指合金的基體－α鋁固溶體的晶粒細(xì)化。通常在A356合金熔煉時(shí)，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(jié)晶核心，起到異質(zhì)核心作用，細(xì)化鋁合金組織。

熱處理強(qiáng)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(qiáng)化的可能。在工業(yè)上可以通過(guò)淬火時(shí)效熱處理（一般用T5規(guī)范）來(lái)實(shí)現(xiàn)熱處理強(qiáng)化。

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

研究表明，在時(shí)效過(guò)程中，Mg和Si從鋁中析出是按以下方式進(jìn)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(guò)渡相β＇，在固溶體內(nèi)這種原子的重新組合，往往導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣的畸變。

2. 繼而β＇過(guò)渡相形核，形成具有六方點(diǎn)陣的β＇相。由于該相與母體點(diǎn)陣無(wú)共格關(guān)系，晶體點(diǎn)陣的畸變導(dǎo)致大量位錯(cuò)的積聚，這就是淬火時(shí)效使A356合金強(qiáng)化的原因。

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

在時(shí)效時(shí)析出的Mg2Si相質(zhì)點(diǎn)是很小的，即使在300℃高溫時(shí)效時(shí)，Mg2Si相的質(zhì)點(diǎn)尺寸也僅為幾百個(gè)納米。因此，對(duì)于A356合金而言，它的強(qiáng)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(diǎn)

汽車(chē)輪轂是關(guān)系到汽車(chē)安全的關(guān)鍵零件，對(duì)汽車(chē)輪轂用材的力學(xué)性能有很苛刻的要求。不僅要有足夠的強(qiáng)度，還要有很好的塑性和沖擊韌性。與此同時(shí)，對(duì)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(duì)輪轂用的A356合金的熔煉提出了很高的要求。歸納下來(lái)，有以下幾個(gè)方面的要求：

1. 對(duì)汽車(chē)輪轂用的A356合金而言，其化學(xué)成分，特別是對(duì)其雜質(zhì)含量的控制有很?chē)?yán)格的要求。提供給做輪轂的A356合金錠，必須按A356.2標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求。對(duì)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(duì)熔煉的成分控制提出了非常高的要求。由于對(duì)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(dá)到一級(jí)，不允許有氧化夾雜、縮松、裂紋等任何缺陷等），因此對(duì)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(yán)格的控制。

2. 為了使輪轂鋁獲得好的綜合性能，因此對(duì)A356合金的鋁熔液的熔體組織處理也提出了特殊的要求。無(wú)論是硅相的變質(zhì)處理，還是α鋁固溶體的晶粒細(xì)化處理都必須做到較高的標(biāo)準(zhǔn)。正因?yàn)橛羞@樣苛刻的要求，也就突顯出A356合金熔煉的特點(diǎn)。配制A356合金的原材料的選擇是熔煉合格A356合金的第一關(guān)口。無(wú)論是原料化學(xué)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(wú)論是含氣量還是雜質(zhì)含量）都必須嚴(yán)格按要求控制。特別是想用廢棄鋁來(lái)煉制汽車(chē)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(shì)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(yán)格控制熔煉過(guò)程中的二次污染，這是生產(chǎn)汽車(chē)用輪轂鋁A356合金的第二特點(diǎn)。實(shí)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(guò)程有無(wú)二次污染，特別是要求極高的汽車(chē)輪轂用鋁液。有效防止在熔煉過(guò)程中鋁液與爐襯、爐氣的反應(yīng)，控制熔煉過(guò)程中的增鐵、夾雜和元素的燒損，解決熔煉過(guò)程中鋁液的吸氣和氧化等問(wèn)題將是生產(chǎn)這種高品質(zhì)汽車(chē)輪轂用A356合金的熔煉技術(shù)核心要點(diǎn)。

配制最有效的熔體處理工序，在A356合金熔煉過(guò)程中，是又一個(gè)特點(diǎn)。這也許會(huì)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(xì)化晶粒處理來(lái)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(lái)完成其熔煉工序的。開(kāi)發(fā)高效、優(yōu)質(zhì)、無(wú)污染鋁合金熔體凈化變質(zhì)處理技術(shù)，將是實(shí)現(xiàn)廢棄鋁優(yōu)質(zhì)再生用于生產(chǎn)汽車(chē)輪轂鋁工程中要攻克的技術(shù)難關(guān)。

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

輪轂鋁在我國(guó)的生產(chǎn)幾乎100%是用原生鋁來(lái)配制的。據(jù)筆者所知，我國(guó)還沒(méi)有一家生產(chǎn)汽車(chē)輪轂鋁的企業(yè)是用廢棄鋁來(lái)生產(chǎn)的。大批的廢棄汽車(chē)輪轂鋁只能重熔，降級(jí)使用，造成了資源的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)的損失。開(kāi)發(fā)研究技術(shù)實(shí)現(xiàn)用廢棄鋁再生生產(chǎn)能滿(mǎn)足汽車(chē)輪轂性能要求的輪轂鋁，以減少汽車(chē)輪轂生產(chǎn)對(duì)原生鋁的依賴(lài)，一方面，為減少自然資源的消費(fèi)，降低能耗和成本作出了貢獻(xiàn)，另一方面，也為提高再生鋁自身的使用價(jià)值，拓展應(yīng)用領(lǐng)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(chē)輪轂鋁A356合金，必將會(huì)大大地向前邁進(jìn)一步。