鋁合金輪轂性能的影響因素

李玉濱

中圖分類號：TQ13文獻標識碼：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面臨的能源、環境、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用中的重要方面。使用鋁合金輪轂代替傳統的鋼制輪轂有以下優點：

1．節能效果好：一汽對奧迪車用鋁合金輪毅進行節油統計試驗，結果表明，對于轎車來說，每個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：鋁合金輪轂導熱性能好，有利于轎車因高速行駛輪胎發熱后的散熱，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，傳統鋼制輪轂的徑向和軸向允許跳動值為±lmm，普通鋁合金輪轂的控制范圍在±0.5mm以內，高檔鋁合金輪轂為±0.3mm以內，輪轂的高精度有利于提高車輛起動和變速的靈敏度。

4．成型性好：多變的“時裝”款式更能適應現代化整車的要求，用鑄造法生產的鋁合金輪轂，可以制出各種形狀，適應不同車型。

二、A356在輪轂生產中的應用

目前鋁合金中應用最廣的是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和細化元素加入，從而對鋁合金的性能產生重要的影響。

決定低壓鑄造輪轂質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％。根據液態金屬停止流動機理，合金凝固時，其結晶溫度范圍越寬，樹枝晶就越發達，液流前端析出相對較少的固相，在較短的時間金屬便停止流動。A356合金中Si的質量分數為6.5-7.5%，當Si含量偏上限時，其結晶溫度范圍較窄，能提高合金的流動性。合金的力學性能與硅相的形狀系數高度線性相關，硅相的形態及大小對合金的力學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強化相，關于Mg含量對A356合金的影響規律，目前大多數觀點認為隨著鎂含量的提高，合金的抗拉強度和屈服強度都會有所提高，而延伸率則降低。

3．鈦的影響。鈦能細化晶粒，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構，晶格常數和Al非常接近，熔點在3147℃，因此TiC可促使α(Al)形核，從而起到細化晶粒的作用。

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（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，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：變質和細化。在細化方面，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生長的膜，從而使晶粒細化。此外，稀土元素和AlTiB同時加入，易生成極不穩定的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塊，顆粒細小的硼化物不易產生沉淀，從而達到長時間保持細化效果的作用。

（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、機加和涂裝等工藝步驟。下面著重介紹前三個工序。

1．熔煉和壓鑄。熔煉是鋁合金輪轂生產中的關鍵步驟，尤其是熔煉成分的控制。鋁合金輪轂的力學性能和物理性能與合金成分有關，同時，合金成分也影響鑄造和加工工藝。在A356合金中，Fe、Cr、Zn元素可以化合成復雜的生成物，而這種化合物硬度高，熔點也高，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元素。早期研究認為，加入1％的混合稀土可以使Al-Si合金獲得完全的變質組織；但又有許多研究結果表明，用0.2％-0.7％的稀土元素就可以使共晶組織變質。變質處理后，合金的力學性能有了大幅度提高，不但抗拉強度有所提高，而且對延伸率的貢獻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。熱處理作為產品的后續處理對于發揮材料的潛力有著舉足輕重的作用。固溶后的時效分單級時效和雙級時效。

采用傳統的T6熱處理工藝，A356合金的抗拉強度為280Mpa，屈服強度180Mpa，延伸率8-10%，低溫時效時共晶硅顆粒隨著時間的增加細化和球化效果增加。低溫時效初期，由于低溫時效有利于硅原子從Al-Si中的固溶析出，硅原子析出的速度大大增加，但此時硅原子主要以沉淀相和強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，所以當低溫時效時間較短，共晶硅的形貌產生了一定量的球化和細化。當低溫時效時間過長時，共晶硅顆粒的形貌呈粗化趨勢。

三、結論

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

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