（材料加工工程专业论文）高品质铝合金车轮制造技术及性能研究.pdf

摘要 为解决汽车工业发展和汽车应用普及带来的能源、环境和安全三大问题，汽车的轻量 化已成为世界各国研究的重要课题。铝合金车轮质量轻、强度高、成型性好、价格适中、 回收率高，是非常符合汽车向减轻重量、降低油耗、减少环境污染和改善操作性方向发展 重要零部件。因此研究高品质铝合金车轮制造技术和性能，不仅对汽车工业的发展具有重 要意义，而且对节材、提高铝资源利用率具有实用价值。 本文对铝合金车轮制造过程中的直接熔炼技术、废铝再生技术、变质细化技术等影响 车轮微观组织和力学性能的因素进行了系统研究。研究结果表明，采用直接熔炼技术，落 实加料、加热和搅拌等工艺要点，可以制造高品质铝合金车轮，使生产成本下降1 0 0 0 元 吨；落实废铝回收过程中的预处理、熔化、净化变质三个中心环节，可实现铝合金车轮制 造过程的良性循环，废铝再生回收率达9 2 。 研究结果表明：工艺参数对车轮的微观组织和力学性能产生重要影响。采用高纯氮气 旋吹精炼铝液1 0 1 5 分钟，可实现铝合金车轮制造过程中铝液的净化；低压铸造a 3 5 6 铝 合金车轮，采用2 0 0 2 5 0 。c 铸型温度和7 0 0 7 2 0 。c 的浇注温度对车轮力学性能的提高最佳； 低压铸造充型的第二阶段采用慢速度和第三阶段采用较快速度，对车轮微观组织细化和力 学性能提高最有利。 采用s b 的变质效果不稳定，产生夹杂，降低车轮的力学性能；采用s r 变质效果较好， 但s r 变质过程中，要考虑变质的衰退因素，用0 0 0 8 s r d , 时的氧化速率计算s r 的氧化 烧损量，每炉浇注终点必须保证合金中s r 的含量不能低于0 0 1 。采用a 卜5 t i - i b 细化效 果较好，但要控制a i - 5 t i - i b 的加入量，把t i 的含量限制在0 1 左右。 热处理对a 3 5 6 铝合金车轮的组织和性能产生重要影响。最佳的热处理工艺为：固溶 温度5 3 5 。c ，固溶时间3 小时；时效温度1 6 5 、时效时间3 小时。 车轮材料的磨损是逐层进行的粘着磨损。影响车轮材料耐磨损性的主要因素是变质、 细化和热处理效果。 车轮铸造表面脆的易与表面分离、剥落硅相的存在是影响涂层与车轮结合力的主要因 素，只有对铝合金车轮进行涂前预处理，才能提高铝合金车轮涂层的质量，增强铝合金车 轮的抗腐蚀性。 本论文成功开发的1 9 i n x 8 5 i n 型高品质铝合金车轮，其综合性能优异，且铸造成本 低，在市场中具有很强的竞争力。 关键词：铝合金车轮、 制造技术、性能、 高品质 i i a b s t r a c t m o r ei n v e s t i g a t i o n sa r ef o c u so nl i g h t e n i n gt h ea u t o m o b i l et om e e tt h en e e d so fe n e r g ys o u r c e ， e n v i r o n m e n t sa n ds a f e t yd u et ot h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ea u t o m o b i l e p o p u l a r i z a t i o n a l u m i n u ma l l o yw h e e l s a r et h ep r e f e r r e dc a n d i d a t e r sf o rl i g h t e n i n gt h e a u t o m o b i l e so w i n gt ot h e f o l l o w i n gp r o p e r t i e s ：l i g h tw e i g h t ，h i 曲s t r e n g t h ，b e t t e rm o l d i n g c a p a c i t y , a p p r o p r i a t ep r i c ea n dh i 曲r e c y c l er a t i o i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ef a b r i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dp r o p e r t i e so ft h ea l u m i n u mw h e e l sf o rp r o m o t i n ga u t o m o b i l e si n d u s t r y d e v e l o p m e n t t h ed i r e c tm e l tt e c h n o l o g i e si nm a n u f a c t u r i n ga l u m i n u ma l l o yw h e e l s ，m e t h o d so ft e s t i n gt h e a l u m i n u mm e l tq u a l i t ya n dt h r e ek e yp a r t si nt h ew a s t ea l u m i n u mr e c y c l ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a ta l u m i n u mw h e e l s ，m a n u f a c t u r e db yd i r e c tm e l tm e t h o d ，a l e 、v i t ll l i g hq u a l i t y a n dt h er e c y c l er a t i oo f t h e w a s t ea l u m i n u mr e a c ha sh i ：g ha s9 2 t h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，m e l tt r e a t m e n tp r o c e s s ，m o l d i n gm e t h o d sa n dh e a t t r e a t m e n ti nm a n u f a c t u r i n ga l u m i n u mw h e e l so nt h em i c r o s t r u c t u r e so fa l u m i n u ma l l o y sw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s d t ss h o wt h a ti ti si m p o r t a n tf o rt h eq u a l i t yo fa l u m i n u ma l l o yw h e e l st ob e m o d i f i e d ，t r a n s f o r m e da n dr e f i n e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l u m i n u mw h e e l sw e r e i n c r e a s e di nt h el o wp r e s sc a s tp r o c e s s i n gb yl o wa n dh i g hs p e e d ss l o wf i l l i n gm o d dd u r i n g2 n d s t a g ea n df a s tf i l l i n gd u r i n gt h e3 “t h ec r i t i c a lv a l u eo 0 1 w a sb r o u g h to u ti ns r t r a n s f o r m i n g ( d e t e r i o r a t i o n ) a 3 5 6 t h ew a s t ew h e e l sw e r ea v o i d e dw h e nt h ed e c l i n i n gt i m ew a s d e t e r m i n e db yt h eo x i d a t i o nr a t i oo f 0 0 0 8 p e rh o u ro fs ri no u re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h em i c r o s t r u c t u r ep a r t i c l e so ft h ea l u m i n u ma l l o y sb e c a m ec o a r s e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no ft h ea l u m i n u mw h e e l sr e d u c e dw h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h em o u l dw a sh i g h e rv i a l o wp r e s sc a s t i n g w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ew a sh i g h e r , t h eg r a i ns i z eb e c a m em o r ef i n e d a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sm o r eh i g h w i t hi n c r e a s i n gt h ec o n t e n t so ft i ，t h es t r e n g t ho ft h e a l u m i n u mw h e e l si n c r e a s e d w i t h0 1 c o n t e n t , t h eb e s te l o n g a t i o nw a so b t a i n e da n dai n f l e x i o n i nt h ed i a g r a mw a so b s e r v e dw i t h0 1 5 t ic o n t e n t t h eo p t i m i z e dt e c h n i q u ei ns o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i n gw a st h a tt h et e m p e r a t u r ea n dt i m ew e r e5 3 5 ca n d3h o u r s r e s p e c t i v e l y ；5 3 5 a n d 3h o u r si na g i n gt r e a t m e n t t h ei m p a c td u c t i l i t yo ft h ew h e e l sb e c a m eh i g h e rw i t hi n c r e a s i n gs rc o m e n t w h e ns ra n dt i i i i 互蒸叁堂工堡堡土逾窑煎垂 c o n t e n t sw a so 0 0 5 a n do 1 ，r e s p e c t i v e l y , t h em a x i m u mi m p a c td u c t i l i t yw a so b t a i n e d t h e n t h ei m p a c td u c t i l i t yv a l u e ss h o w e dn oe v i d e n tc h a n g e sw h e nt h es rc o n t e n te x c e e d e do 0 1 3 a n dt ic o n t e n tl e s st h a n0 1 t h ew e a rm e c h a n i s mo ft h ea l u m i n u mw h e e l sw a sb o n d i n gw e a rl a y e r - b y l a y e r , w h i c h a t t r i b u t e dt op l a s t i cy i e l d ，s t r e a m i n ga n dt h eh a r d n e s sd i f f e r e n c eb e t w e e na l u m i n u ma n ds i l i c o n p h a s e s t h es u r f a c ec o n f i g u r a t i o n so ft h en o n - s u r f a c e t r e a t i n gw h e e l sw e r es c r a g g yf o rs i l i c o n p h a s e sd e t a c h i n gf r o mt h ea l u m i n u mm a t r i x t h e1 9i n c h x 8 5i n c hh j 【班q u a l i t ya l u m i n u mw h e e l sw e r ee x p l o i t e di nt h i sw o r k t h et o t a l p r o p e r t i e sa n d l o w e rc o s to f t h ea l u m i n u mw h e e l sa r ea t t r a c t i v ea n dm e e tm a r k e tn e e d s k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o yw h e e l s ；f a b r i c a t e dt e c h n i q u e s ；p r o p e r t i e s ；h i g hq u 丑l i t y i v 学位论文版权使用授权书 9 7 5 1 8 8 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规寇，同 意学校谋器并蠢豳家骞关帮门或捷药送交论文鹃赛零舞黎惫予版，完诲 论文拨查阅和媸阑。本人授投江苏大学可以将本学挝论文的全部内容或 部分波容编入鸯关数据磨进行检索，可以采用影印、缩印或按描等复制 手段保存帮汇编本学位论文。 本学位论文满于 学篷论文 # 翥签襞： 护6 年6 月；- - e l 傈攀登，在年簿豢霪遗建本授投书。 不保徽口。 赫建簧 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研 究取得的研究成果。除文中注明的引用内容外，本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：辫建着 1 日期：加年g 月2 - 日 堑蒸套堂工墼壅土丝塞堡三童缝丝 第一章绪论 1 1 选题意义 汽车是国民经济的重要组成部分。从1 9 5 5 年到1 9 9 2 年，我国汽车产量仅有1 0 0 万辆； 到2 0 0 0 年，产量突破2 0 0 万辆；以后的发展速度更快，到2 0 0 2 年，达到3 2 5 1 万辆，2 0 0 2 年我国汽车产量在世界排名第五位。2 0 0 3 年，汽车产量已突破了4 0 0 万辆。 汽车工业飞速发展，带动了汽车制造零部件业的发展。1 9 9 0 年以前，零部件几乎包含 在汽车公司内部，国内鲜有独立的零部件企业。近几年，我国部分改制较早、已在市场上 奋斗多年的民营企业在汽车零部件生产中崭露头角。部分实力雄厚的国外大汽车集团看好 我国汽车市场的巨大商机，纷纷在我国投资建厂，各种汽车零部件厂应运而生。 铝合金车轮以其美观、节能、散热好、质轻、耐腐蚀、加工性好等特点，正逐步代替 钢制车轮且速度惊人。1 9 8 1 年，铸造铝合金车轮的市场占有率仅为4 ，2 0 0 4 年市场占有 率已超过6 0 。 目前，我国的车轮生产企业有5 4 家。经过十几年的发展，尽管涌现出一些汽车车轮 制造的优秀的企业，如：“戴卡车轮制造有限公司”、“海南中南铝合金车轮有限公司”和 “万丰奥特控股集团”以及“重庆捷力车轮制造有限公司”等，其车轮产品以代替进口产 品。但不可否认，我国的车轮生产的整体水平还比较低，距国外的先进企业有不小差距。 具体表现在成本高，废品率高，品质差，寿命短。 车轮是典型的保安件，因此对铸件本身的质量要求很高。车轮必须满足“精确、一致、 健全、轻量、洁净”的总体要求。我国加入w t o ，汽车零部件企业既面临较大竞争压力， 又存在着重大历史机遇。车轮生产企业生产成本居高不下，技术工艺落后，产品质量与国 外产品存在较大差距，不能和国外合资或独资企业产品的竞争。 因此，此背景下围绕高质量铝合金车轮的制造和性能进行深的研究，对进一步提高车 轮品质，推动汽车工业的发展具有重大的现实意义。 1 2 车轮的工况条件及受力分析 1 2 1 车轮的工况条件 车轮是典型的保安零部件，它的可靠性直接影响着驾驶员的生命安全。车轮不但要承 1 互蒸占耋工堡耍土逾之 簋= 童鳖逢 受静态时车的重量，而且要承受车辆行驶过程中来自各个方向的载荷，如因启动，制动、 转弯、路况凹凸不平、石块冲击等不规则载荷应力之考验。不仅如此，车轮作为旋转体， 它的轴向跳动精度和径向跳动精度，又直接影响着整车行驶过程中的平稳性、抓地性、偏 摆性、制动性等行驶性能。因此，车轮质量的好坏，直接影响着汽车的质量和档次。 1 2 2 车轮受力分析“3 车轮制造过程本身就存在着残余应力，其大小取决于制造方法和消除应力的手段，也 受到车轮形状和结构本身的影响。 当车轮被安装到汽车上后，就要承受着整车垂直方向的自重力。其中轮辋部分是通过 轮胎的充气压力传递而来的，轮辐部分是通过车轮传递来的车辆自重力，这些都属于静态 应力。由于残余应力和车辆重力的方向并非都一致，所以车轮装车后原始状态的受力情况 应是两种力的叠加。这种叠加有可能是“相加”的关系，也可能是“相减”的关系，这就 是车轮安装后的初始动态应力。 当车辆行驶时，车轮的应力分布如图1 1 所示。由图1 1 可以看出，车轮长时间行驶 澎一鲰 疆并孵噩i 图1 1 车轮运动一周，轮辋上m 1 、舵点应力变化 中可能承受超过疲劳极限峰值的负荷，因而在疲劳强度允许范围内，负荷的大小对车轮的 寿命有着很大的影响。反过来说，由于车辆负荷的多变因素，就要求车轮除了强度、塑性、 刚度、硬度指标外，车轮的冲击韧性和疲劳强度成了确保车辆安全尤为重要的指标，任何 未经型式试验的产品，都不能说是安全产品。 錾墓态堂王堡垂土垒窑簋三童缝鎏 1 3 国内外车轮研究和发展概况 早期的车轮以钢质材料为主，它是由合金板经过轧制和冲压制成轮辋、轮辐的坯料， 再经铆接、电焊、二氧化碳电弧焊、挤压等工序装配组合而成。这类车轮由于适合大批量 生产，经济性好，作为传统的轧制车轮在汽车市场中占领着很大市场。 轻合金车轮是汽车轻量化的产物。二次世界大战和世界性的能源危机促进了这种“轻 量化”需求，从1 9 4 5 年起，大批汽车商开始研究铝合金车轮的批量生产问题，主要集中 在铝合金车轮材质和成型工艺方面。但由于车轮的特殊安全要求，铝合金车轮一直未能实 现批量生产，即使到2 0 世纪5 0 年代末，德国也仅能生产少批量的铝合金车轮。 1 9 7 0 年以后，状况得到了改善，德国的拜尔公司开始把批量的铝合金车轮装到了2 0 0 2 型轿车上。此后的十几年中，铝合金车轮的研究和制造技术在日本、美国和意大利得到了 巨大发展，越来越多的铝合金车轮被装在了多种轿车上。 在研究铝合金车轮生产技术的同时，对镁合金车轮的相关研究也在悄悄地进行。同铝 合金相比，镁合金有着更高的比强度、疲劳强度、和比弹性模量，更适宜车轮的制造。但 由于镁合金的特点，极易氧化，给熔炼、铸造带来大量的成本和环保难题，所以此种技术 在我国仅处在起步研制阶段。 我国铝合金车轮工业起步较晚。2 0 世纪8 0 年代末，我国出现了第一个具有现代规模 的戴卡车轮制造有限公司，2 0 世纪9 0 年代初，又出现了南海中南铝合金车轮有限公司， 在他们的影响下，我国的铝合金车轮制造业经过几十年的励精图治、奋力拼搏才有了今天 的大发展，我国现在铝合金车轮的年生产能力大致在5 0 0 0 万只。目前，我国铝合金车轮的 研究主要集中在以下几个方面：1 车轮材料的研究：围绕传统材料的改性和新材料的开发， 以提高车轮的性能和寿命为目标。2 车轮的结构研究：为适应市场的需求，更大直径，更 宽轮辋的车轮成为研究的目标。3 车轮成型工艺的研究：通过新的成型工艺的开发，实现 更高的车轮性能需求。4 车轮模具制造工艺的研究，应用c a d c a m 技术进行车轮模具的设 计和制造，以提高车轮模具的制造精度和制造效率。5 车轮涂装新工艺的研究：通过不同 的表面处理工艺，在提高车轮抗腐蚀能力的同时，实现车轮“时装化”要求。 1 4 铝车轮的特点 与钢制车轮相比，铝合金车轮具有如下特点： 1 重量轻，节能效果明显。车轮处于整车重心最低的位置，体现整车节能效果非常明 3 堑蒸太堂工堡醺土鲨盏藿三重缝丝 显。一般情况下，铝合金车轮比相同规格的钢制车轮可减重3 5 4 0 。在平均车速1 0 0 公 里小时的条件下，每百公里可减少油耗0 0 5 1 升。 2 散热快，整车安全性高。铝合金车轮导热快，非常有利于因汽车高速行驶轮胎发热 后的散热，减少了轿车长距离行驶过程中因温度升高而爆胎的可能性。不仅如此，由于铝 合金车轮良好的散热效果，凡与其接触的零配件，寿命也大大提高。同时，铝合金车轮的 结构和精度更有利于安装子午线轮胎。子午线轮胎对与预防“穿刺物”更有意义。当这种 无内胎车轮遇上“穿刺物”时，只要不拔出“穿刺物”，就不会因忽然泄气而翻车，一般 能坚持一小时甚至更长的时间，这对行驶在高速公路上轿车的安全来说，有着极为重要的 意义。 3 尺寸精度高，整车行驶性能好。铝合金车轮最终都经数控机床加工，一次加工精度 很高。车轮的高精度对汽车行驶过程中的车轮抓地性、偏摆性、平稳性非常有利。同时也 有利于提高车辆起动和变速的灵敏度。 4 款式多变，与现代化的整车相互匹配铸造生产的车轮形状可随意变化，可与多变的 车型相匹配；其使用过程中不易藏污纳垢，深受汽车司机的欢迎。 5 具有广阔的市场前景。由于铝合金车轮比钢质车轮有着很大的优点，因此在汽车上 的应用存在着很大潜力，具有广阔的市场前景。 1 5 铝车轮的成型技术进展 1 5 1 国外铝车轮成型技术 国外铝合金车轮的成型方法有多种，但以低压铸造为主，约占全部产量的8 0 以上。 另外，还有少数企业采用锻造法、焊接组装法生产。表1 - 1 给出国外铝合金车轮的主要成 型方法、特点及主要应用的公司。 近年来，国外为了减轻车轮重量，提高强度，采用锻造工艺、组装式工艺生产车轮， 可减轻重量2 0 左右。还可采用高强度镁合金、钛合金制造车轮，但会使成本相应增加。 为了降低车轮噪声，有的在轮辐和轮辋之间，加上特殊橡胶结合件，可以大大降低车轮噪 声，并提高汽车操纵稳定性。为了使车轮更美观，一般采用镀铬、抛光、喷漆、喷粉、加 装不锈钢或塑料毂盖、压铸花纹、改进车轮设计图案等办法。 1 5 2 国内铝车轮成型方法 国内铝合金车轮成型方法主要有锻造和铸造两种。因为铸造具有成本优势成为我国铝 4 表卜l 铝合金车轮不同成型技术比较 合金车轮主流生产方法。铸造方法中低压铸造成型工艺符合我国的国情、成为我国车轮生 产的首选方法，其产量约占全部产量的8 0 以上；其次是采用最简便的重力铸造工艺，约 占其全部产量的2 0 。另外，也有少数一些采用其他成型方法的企业，如：挤压成型方法、 5 堑蕉查堂工堡堡土垒窑墓= 重缝堡 锻造成型方法等。 铝合金车轮加工方面，采用数控机床，高精度自动化柔性加工系统。采用自动化涂装 工艺，喷粉技术渐有替代喷漆之势，少部分企业还采用先进的真空电镀涂装技术；在热处 理试验检测方面，基本接近或达到国外先进水平。 1 5 3 铝合金车轮的性能要求。1 由于铝合金轮在车辆运行中的关键作用和绝对的安全可靠性要求，因此自从铝合金车 轮问世以来，对其性能的研究开发一直是热点课题。为了满足车轮的工况条件，铝合金车 轮不但要具有较高的强度、较高的延伸率，而且要具有较高的抗疲劳性和耐腐蚀性。 1 6 影响a 3 5 6 合金组织和性能的因素 在深入研究铝合金车轮各种性能的过程中，人们初步掌握了材料的微观组织和性能之 间的关系，正逐步延伸到如何对影响组织的相关因素进行控制，以最终达到控制铝合金车 轮性能的目的。 1 6 1 合金元素叫 硅( s i ) 硅是a l s i 合金组织中的第二相。s i 含量的提高大大改善了合金的铸造性能。在a 3 5 6 合金中，s i 的质量分数在6 5 7 5 范围内，s i 的含量偏上限( 7 5 ) 时，有利于提高流 动性。文献“1 研究表明，s i 相的形态、大小、分布对力学性能的影响远大于枝晶的二次 臂间距，s i 相的形态对力学性能的影响与铸铁中的石墨相似，当以针片状存在时，可以看 作是材料失效的裂纹源。通过改变s i 相的形态，可大大提高合金的力学性能。 镁( m g ) 镁元素对形成m g ：s i 强化相是必不可少的。随镁含量的提高，合金的抗拉强度和屈服 强度都会有提高，而伸长率会有降低。此外，镁在熔化、除气和变质过程中，特别容易烧 损，因此，应特别控制其含量和烧损量。镁的质量份数适宜在0 2 5 0 4 5 之间。 铁g e ) 铁在铝合金中一般是有害元素，铁量增加，使合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率都 要下降，其中以伸长率下降幅度为最大，使铸件变脆。其原因在于：铝硅合金中的铁主要 以b 相( a 1 。f e 。s i ) 形式出现，为针状形态，该相硬而脆，以粗大的针状穿过a 相晶粒， 6 互蒸查堂工堡亟土墼鸾墨三重丝垒 削弱基体，降低合金的伸长率和冲击韧性。而且合金凝固越慢，b 相长得越粗大。铁相除 了针状外，其形状还有鱼骨状、汉字状、球团状。铁相形状对合金削弱程度的强弱的顺序 是：针状削弱程度最强、鱼骨状次之、汉字状、球团状最弱。 铜( c u ) 、锌( z n ) 铜会使a 3 5 6 合金的伸长率和耐蚀性降低；锌也会降低合金的耐蚀性。因此，炉料中 要避免这两种元素的混入，一般铜的质量分数要控制在0 2 以下，锌的质量分数要控制在 0 1 以下。 铬( o r ) 铬( c r ) 加入主要是用于消除f e 的有害作用。c r 的加入使铁相依次由针状向汉字状、 块状、团状转变。其原因主要是铬与铁形成多元的复杂相，改善了铁相的形态。由此可见， c r 的加入一方面消除了f e 的危害作用，另一方面又形成复杂耐热相从而提高合金的高温 性能。c r 含量增加时，强度、伸长率同步提高，且伸长提高幅度更大。 此外，锰( m n ) 、钴( c o ) 、也常用于消除f e 的有害作用，但其作用不如c r 显著。消 除f e 有害作用的合金元素加入量可按如下的比例：w 曲：w 。= ( o 6 7 o 8 3 ) ：1 ；w 。：w f e = o 9 ：l ； w c 。：w ，。= o 3 5 ：i 。综上所述，在铝合金生产中，熔炼设备和炉料不可避免地带入铁，欲想去 除它，不仅在工艺上是困难的，而且也极不经济，更何况铁也有其有利的一面，即可提高 合金的高温性能。因此，改变铁相的形态，降低或者消除其有害作用，充分利用其有用的 一面，这比降底铁含量更有实际意义，更符合我国铝合金铁含量的实际。 稀土r e ( l a ) 稀土在铝硅合金中的应用主要基于稀土元素对铝合金的变质作用。除此之外，由于它 的化学活性大，与硫、氧、氢、氮的亲和力强，可消除这些杂质的不利影响，如稀土与氢 结合可减少针孔倾向，与铁也能形成复杂相改善铁的不利影响。总之，加入稀土可改善材 料的耐氧化性，耐高温腐蚀性，细化结晶结构，提高材料的力学性能和使用性能。 i 6 2 熔体洁净度 污染铝合金的杂质主要是溶解的氢和非金属夹杂物。近年来研究表明，氢与夹杂物对铸 件的力学性能和可靠性产生较大的损害。所以提高熔体的洁净度是铸造铝合金研究的一个 重要部分，提高熔体的洁净度，可直接提高铸件质量和性能。 氢 a l 的化学性质比较活泼，易氧化吸气。氢的含量占气体总量的7 0 9 0 。水蒸汽是铝 7 互薹套耋工堡堡土垒窑簋三童缝逵 液中氢的主要来源，水蒸汽和铝反应形成氧化物，并放出氢气。氢几乎不溶于固态铝，而在 液态铝中的溶解度很大，并随温度的升高而增大0 1 。氢在铝合金中溶解析出过程及其作用机 理，许多学者已进行了大量的研究“1 ，测试出不同温度下，氢在铝液中的溶解度，并推导出氢 在铝液中溶解度算式。有学者指出，铝液变质也会加快铝液吸氢。1 ，s r 变质的铝液，含气量 显著增加。 夹杂物 铝液中夹杂物一般是指存在于液相线以上的任何固相或液相的外生杂质”1 。铝合金中 常见的非金属夹杂物有氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等大都以颗粒或膜状存在，典型 颗粒尺寸在1 3 0 蚀l 范围内。虽然一般铝合金熔体中夹杂物的浓度相对较低，在未处理的 熔体中体积分数约为0 0 0 5 0 0 2 0 ，但夹杂物的数量却是一个不小的数字，假如夹杂的 平均尺寸为4 0 肛m ，那么即使1 1 0 飞的夹杂物浓度也意味着每i k g 铝液中含有约i 1 万个 颗粒”1 。然而，针对铝液中的夹杂物的研究却十分少见。铝液中夹杂物与氢是相互作用的， 以a 1 ：0 。为例，当铝液中卷入a l 。o 。杂质，既增加了含氢量，吸附氢气的a i 。0 。又是温度下降时 气泡形核的现成基底，容易在铸件中形成气孔。 去除铝液中的气体和夹杂物是铸造铝合金广泛应用的关键。因此铝液的净化技术也随 之发展起来，最早铝液净化是用c 1 。或氯盐( c ：c 1 。) 等处理铝液，但c l ：及c ：c l 。除氢效果虽好， 去除夹杂物能力却较差，同时产生大量有毒气体。因此铝液净化的发展过程也是取代氯气、 氯盐的处理过程。n 2 和a r 为惰性气体，但他们去气效果不佳，很长时间以来均是将c l ：、c 。c i 。、 s f 。等与n 。和a r 复合处理铝液。1 。在此期间国内外也研制出许多无毒精炼剂。1 。 8 0 年代以来，英国f o s e c o 公司利用气泡浮游原理，研制出一种f d v 设备，用旋转喷头自 铝液底部吹入惰性气体，气泡被分离或弥散，均匀分布的小气泡大大增加了气体与溶液的 接触面积与作用时间，能有效的去除氢及其夹杂物，这种方法称为r i d 法“”。处理铝液可使 铝液中氢的含量降至6 1 0 - 8 以下，并有效地去除细小夹杂物，许多学者对这种方法处理的 过程，建立了数学模型，并进行了计算1 。结合s r 变质，这种方法得到广泛的应用。 惰性气体虽能去除部分铝液的夹杂物，但它去除固体夹杂物的能力不强，只有尺寸大 于3 0 4 0 “m 的夹杂物才有可能被气泡带走。而影响铝铸件的夹杂物尺寸一般在1 0 2 0 m 以下。故仅靠惰性气体去除夹杂物是不够的。因此过滤技术被广泛采用。过滤一般采用过 滤网、过滤块、过滤床等。过滤网只能去除尺寸大于9 0 “r n 的夹杂物，过滤块可以去除3 0 5 0 p m 的夹杂物，而过滤床能去除尺寸小于2 0 p m 的夹杂物，净化效果较为理想“。 i 6 3 强化处理工艺 a 3 5 6 是多相合金，其组织的细化包括对基体晶粒的细化和第二相的细化。组织的细化 可以提高材料在室温下的强度、塑性和韧性。目前，a 3 5 6 组织的细化主要包括两个方面： 共晶s i 细化和枝晶细化。 ( 1 ) 共晶硅的细化 2 0 年代初，p a c z “”在a 卜s i 合金熔炼中发现n a f 对共晶s i 有显著的细化作用，使共 晶s i 由粗大的针片状转化为细小的纤维状，以后人们进行大量的研究来认识了解这种称 为变质的现象“4 。“1 。由于硅相的形貌发生了显著的改变，大大提高了合金的力学性能和加 工性能。获得细小的纤维状共晶s i 有两种方法：( 1 ) 激冷变质，即以高的冷却速度，相 当于生长速度大于l m m s ，抑制共晶硅的生长“”1 ；( 2 ) 化学变质或称为杂质变质，即在 较低冷却速度下加入微量的n a 、s r 、s b 等或其它碱性金属和碱土金属及稀有金属。目前， 生产上常用的是化学变质，应用较为广泛的是n a 和s r 及其化合物。 关于共晶s i 的变质机理有两种说法，核心说和抑制说。现在一般倾向于后者。许多 学者研究了a 卜s i 合金中共晶s i 的生长机制“”2 。未变质时，共晶s i 呈板片状，且具有 1 1 1 ) 生长面，当生长速度慢时，具有 择优生长方向，有少量的 1 1 1 ) 孪晶作为内缺 陷存在，而板片状表面作为外缺陷的台阶存在，高纯的a 1 - s i 合金，t p r e ( 孪晶凹谷) 生长 机制很少起作用，而表面固有台阶提供了原子堆积的有利条件。板片状共晶s i 可以通过小 角机制( 分裂或搭桥) 以及大角度机制( 产生另一孪晶) 来分枝“。用液淬或变质元素的 得到的纤维状共晶硅形状很不相同，前者的纤维状共晶硅是非小面生长，无择优方向，且 包含很少的孪晶。用n a 变质所得纤维状呈多面生长，择优方向为 ，含有大量高密度 的孪晶。变质元素加入后，消除了s i 晶体生长原子堆积的固有台阶，从而产生了大量的 孪晶，而变为以t r p e 生长机制进行，共晶s i 呈纤维状“。抑制共晶硅的生长，需要有外 来质点封锁其固有台阶，这些外来质点的的最佳原子半径为0 1 9 6 m m ，原子半径与其值相近 的元素可作为a i s i 合金的变质剂。研究发现，这类元素主要有：n a ，s r ，t e ，b a ，s b ，k ，r e ，y ， b ，s 等。”。 n a 的变质 n a 及其盐类是最早使用的变质剂，目前我国使用较为广泛。由于n a 的变质能力强， 只要加入量和加入方法适当，无论对砂型或金属型，厚壁件或薄壁件都能有效地变质。但 n a 的熔点低，易氧化，易发挥，其变质效果衰退相当快，还存在过变质行为，因而n a 变 质效果控制较为困难”2 ，通常采用n a 盐的形式加入。但n a 及其盐类变质一方面对熔炼 器具与工具产生严重腐蚀，导致合金液的污染，另一方面对空气产生污染，带来环保问题。 9 互垂盔堂工堡堡土垒窒簋= 童丝垒 s r 变质 s r 的变质能力仅次于n a ，s r 为碱土元素，化学性质活泼，在空气中易与氧或水反应， 在其表面生成s r o 和s r ( o h ) ：，生产中大多以a 卜s r 或a i - s r x 中间合金的形式加入铝液。 与n a 相比，s r 在a l 熔体重收得率高得多，可达9 0 1 ，s r 的氧化速度远低于n a ，是一 种长效变质剂，生产中有利于控制。另外，文献。4 1 报道，s r 变质的a 卜s i 合金的抗拉强度 提高2 0 左右，伸长率提高2 3 倍。然而采用s r 变质，a 1 熔体易吸气，增加铸件的孔隙 率。s r 与氯和氟具有很强的亲和力，易于形成氯化锶和氟化锶。5 。因此，不宜采用氯化 物或含氯、氟化物的混合气体除气。例如，采用c 。c 1 。或n 2 + 5 c 。c l 。除气后，s r 的变质作用 完全丧失嘲1 。生产中对s r 变质的铝液一般采用干燥的高纯氮气、氩气进行除气，或采用 其它无毒精炼剂。s r 变质与n a 变质比较起来有许多优点，从目前的研究和应用来看，有 取代n a 变质的趋势，发达国家已普遍采用s r 变质。 s b 变质 s b 是一种永久变质剂，使共晶s i 由粗大的片状转变成细小的层片状，而不是n a 或s r 变质的纤维状。“。对s b 变质机理众说不一。一种观点认为s b 只能起到中和磷的作用， 清除初晶硅，使共晶层片间距减薄。“；另一种认为a l s b 等化合物促使a ( a i ) 提早析出， 随着液相成分中a ( a i ) 的析出，s i 也将随之析出，但其生长受到抑制，长大速度小于a ( a i ) 起到细化作用。1 。用加s b 变质的优点是：来源广、价格低廉，变质作用时间长，对坩埚等 不腐蚀，清理方便等。但s b 与n a 和s r 产生的相互毒化作用，不能联合使用，限制了s b 变 质的应用。 其他变质剂 稀土变质，c e 和l a 等稀土元素具有中等变质能力。”蚓，由于稀土中含有大量的c e 和 l a ，k i ma n dh e i n e 。”提出了临界生长温度假说，用来解释稀土金属的变质行为。但稀土的 变质能力不如s r 或n a ，尤其在砂型铸造条件下，难以获得理想的变质效果。 综上所述，各种变质元素都有优点。其中n a 和s r 在微量加入情况下表现出较强的变 质效果，因而得到广泛的应用，同n a 相比s r 变质具有其独特的优点，国外发达工业国家，n a 变质已基本淘汰。8 0 年代后，我国一些单位开始应用s r 或其化合物作为a i - s i 合金的变质 剂汹“ ( 2 ) 晶粒( 枝晶) 细化 材料的屈服强度与合金晶粒尺寸或枝晶间距服从下列关系“”： 。o2 2oo + k d o 5 式中d ：晶粒当量直径或枝晶间距 1 0 堑蒸盘耋王垂盈土墼童 篁= 童丝丝 oo ：频率因子 k ：和合金成分、特性有关的常数 可见晶粒越细，枝晶间距越小，屈服强度越高。对铝合金来说，组织细化主要指初晶a ( a i ) 的细化，不仅提高了合金的力学性能，还改善其补缩能力，有助于消除缩松、缩孔，防 止冷隔等铸造缺陷，同时能细化有害杂质相( 如粗大f e 相) 。因此，对铝合金进行细化处理， 已经成为一种基本的强化手段。 a 3 5 6 合金通常呈现两种不同的晶粒形态：等轴晶、柱状晶和双柱状晶( t c g ) 。为了抑 制柱状晶和双柱状晶的生长，促进细小的等轴晶的形成，有目的地向a l 液中加入t i 、b 等 中间合金。常用的晶粒细化剂有三种类型：二元a l t i 合金、二元a i b 合金和三元a l t i b 合金。l u “”等对三种不同类型的晶粒细化剂对a 3 5 6 合金细化效果进行比较，结果发 现：a i 一4 b 中间合金的细化能力最强，a i - 5 t i i b 中间合金次之，而a 1 5 t i 合金细化效果最 差。s i g w o r t h 和g u z o w s k i “”也得到了相似的结果，但他们认为a 卜3 b 合金的细化能力最 强，而a i - 4 b 合金没有晶粒细化能力，原因是b 在a 卜3 b 合金中以a i b 。颗粒形式存在，而在 a l 一4 b 合金中则以a i b 。形式存在，a i b 。不能作为初晶a ( a i ) 形核基底。基于以上的研究， s i g w o r t ha n dg u z o w s k i 开发了一种适合于亚共晶a 卜s i 合金的晶粒细化剂a 卜3 t i 一3 b 中间合金，并投入了工业应用。结果表明，在亚共晶a 卜s i 合金中，a 1 3 t i 一3 b 中间合金比 通常所用的a 1 5 t i i b 中间合金的细化效果更佳。b i a n e ta l “”等采用快速凝固技术开发 了a 1 一t i - s r 中间合金，具有优异的细化、变质效果，大大降低了中间合金的加入量。 元效刚在文献“”中对不同形态的a 1 5 t i i b 、a 1 5 s r 的中间合金变质车轮合金的效 果进行了研究。结果表明，不同形态的a i - 5 t i i b 、a 1 一s r 的中间合金变质车轮合金的效 果不同，其中用快速凝固处理和热变形处理的中间合金的变质效果好，加入量可减少5 0 ， 且车轮的力学性能有所提高。 自4 0 年代起人们发现微量的t i 、b 能大大细化铝及其合金、改善了力学性能和工艺 性能后，引起了广泛的注意，相继提出有关细化机理m 。4 。由于：( 1 ) 细化过程复杂，即与熔 炼条件有关，又与铸造条件有关：( 2 ) 不可控制的杂质的影响，熔体中某些元素的交互作用。 迄今，没有一种观点或理论解释晶粒细化现象。关于a i - s i 合金的细化机理“”删主要有以下 几种观点： 包晶反应理论 同t i a i 。的包晶反应相似，t i ( a l 。一。s i ；) 。也存在包晶反应，t i ( a l 。s i 。) 。+ l ( a 1 ) 。s i 的 存在使包晶点成分向低t i 量位移，t i ( a l 。一。s i ，) 。在a 1 中的溶解度降低，导致有效t i 量增加。 该三元化合物与合金液体在高于合金液相线温度之上发生包晶反应结晶出a ( a 1 ) ，在合金 1 l 堑茎盎堂工垄亟土途圣簋= 重丝垒 凝固过程中的a l 原子直接在已结晶的a ( a 1 ) 上生长，且不需形核过冷，因而枝晶得以细化。 然而，s i 同时也使包晶反应温度显著下降，高s i 量使包晶反应温度低于合金液相线温度， 导致t i ( a 1 。一；s i 。) 。丧失细化能力。 共晶反应理论 结晶一方面通过在形核基底上直接外延生长，一方面通过一个包含a ( a 1 ) 的相反应进 行。a 卜b 二元系在6 5 9 c 存在一个共晶反应。a 3 5 6 合金( s i 的质量份数约为7 ) 的液相线 温度约为6 1 4 c ，因而包含a ( a 1 ) 这个共晶反应将会产生有效的细化行为。这就是说，熔体 中存在b 时，a ( a 1 ) 和a i b 。在合金达到液相线之前，通过共晶反应同时析出，当熔体温渡降 到合金液相线时固相将在预先存在的a ( a 1 ) 上直接生长而不需要形核过冷，因而晶粒细 化。由于s i 使a l b 系向共晶成分点向更低b 量位移，有效b 量增加，s i 促进a 卜b 中间合 金晶粒细化效果，因而a 1 - b 中间合