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                  熱門關鍵字: 輪轂 出口

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                  汽車輪轂用A356鋁合金簡介

                  發表于: 2011-10-18作者:毛協民點擊:68408

                   

                  A 3 5 6 合金是一個典型的A l-Si-Mg系三元合金,是一個具有優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。

                   

                  為何選用美國標準

                  A356合金是美國鋁業協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。

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

                   

                  注:

                  1.356系列是美國標準的牌號,ZL101系列是中國標準的牌號;

                  2.S-砂型鑄造,P-金屬型鑄造;

                  3.中國標準還對Pb及Sn雜質含量作了單獨規定(美國標準將其歸于其他雜質):Pb<0.05,Sn<0.01(對應ZL101),Pb<0.03,Sn<0.01(對應ZL101A);

                  4.356.2合金的含Fe量最高可到0.25%。

                   

                  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含量的規定。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。牌號的末位的數字(0,1,2)是根據不同的場合下,對各種雜質的限定。A356.0是針對生產的鑄件的材質而規定的材料成分;而A356.1、A356.2兩種牌號,則是根據不同使用要求,為生產鑄件的原材料即鑄錠所制訂的兩種成分??梢宰⒁獾?,目前汽車輪轂鋁往往是用美國標準的A356.2的要求來規定其對合金鑄錠的要求的。對于中國標準而言,可以看到,在材質分類上是分得比較粗的。ZL101系列主要規定了鑄件的材質,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,在目前汽車行業中鋁輪轂用鋁通常都選用美國標準來規定其成分和相應的要求。

                   

                  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,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,還可出現少量α+Mg2Si+Si三元共晶體和雜質鐵等構成的雜質相和一些復雜的多元共晶相。雜質相主要有α(Fe3SiAl12)、β(Fe2Si2Al9)和Al8FeMg3Si6。這些針狀雜質相會破壞基體的連續性,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處理和晶粒細化處理的統稱。為了獲得良好的性能綜合,A356合金在熔煉中必須進行變質處理和細化晶粒處理。

                  1. A356合金的變質處理

                  A356合金含有7%左右的硅相,硅主要以共晶硅的形態存在于基體中。在沒有處理的合金中,硅相是以片條狀的形態分布在鋁基體上,片條狀的脆性硅相會破壞鋁基體的連續性,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合金的變質現象是1920年法國的A.Pacz發現的。向Al-Si合金熔體中加入少量的鈉可使共晶硅相形態大小發生很大變化,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。但鈉變質在長期工業應用過程中發現有過早衰退失效的問題,鈉的變質效果只能維持幾十分鐘,使其應用很不方便,變質的穩定性很差。使人們開始了長效變質劑的開發研究。

                  A356合金的變質,目前主要是采用鍶(Sr)變質。鍶變質有很好的長效性,可使變質效果維持長達5~8小時。正因為這特性,在目前的鋁輪轂鑄造生產中,普遍應用這種變質方法。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形核的物質,在熔體內產生大量的結晶核心,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。在工業上可以通過淬火時效熱處理(一般用T5規范)來實現熱處理強化。

                  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,經過30分鐘,Mg2Si相就已完全溶入固溶體中了。根據生產實際情

                  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,形成六方點陣的穩定的β-M g 2S i 相。在較低的時效溫度下時效時,固溶體析出穩定的β-M g 2S i 相進行得很慢,但在高溫下(在3 0 0 ℃)只需3 0 m i n 就全部析出了。

                  在時效時析出的Mg2Si相質點是很小的,即使在300℃高溫時效時,Mg2Si相的質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A 3 5 6 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,對鋁輪轂鑄件的內部冶金質量也有很高的要求。從而,大大提高了做鋁輪轂的材質要求。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,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部冶金質量有很高的要求(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元素的含量),還是原料的冶金質量(無論是含氣量還是雜質含量)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量控制體系就是勢在必行,它是保障生產出合格的A356合金的第一環。

                  必須嚴格控制熔煉過程中的二次污染,這是生產汽車用輪轂鋁A356合金的第二特點。實踐表明,鋁液的品質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這種高品質汽車輪轂用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處理和細化晶粒處理來優化合金組織,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。開發高效、優質、無污染鋁合金熔體凈化變質處理技術,將是實現廢棄鋁優質再生用于生產汽車輪轂鋁

                  工程中要攻克的技術難關。

                  隨著人類社會的發展,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。汽車工業必將隨之出現迅猛發展。由于汽車的輕量化、節能等方面的要求,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幾乎100%是用原生鋁來配制的。據筆者所知,我國還沒有一家生產汽車輪轂鋁的企業是用廢棄鋁來生產的。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濟的損失。開發研究技術實現用廢棄鋁再生生產能滿足汽車輪轂性能要求的輪轂鋁,以減少汽車輪轂生產對原生鋁的依賴,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,用廢棄鋁生產汽車輪轂鋁A356合金,必將會大大地向前邁進一步。

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