【文章內(nèi)容簡介】 y)、 ENKET 公司、日立、豐田、宇部等公司，法國的DIAL 公司，韓國的 ASA公司、都 瑞公司，意大利的 GRIMECA公司等。這些老牌的企業(yè)不少都是跨國集團公司，隨著世界經(jīng)濟結構的調(diào)整，他們正在把生產(chǎn)廠陸續(xù)向外轉移。鋁合金車輪生產(chǎn)已大幅度地往發(fā)展中國家轉移，特別是亞洲地區(qū)，鋁合金車輪生產(chǎn)企業(yè)已星羅密布，且大都具有相當?shù)囊?guī)模和水平。 我國的臺灣在亞洲是鋁合金車輪生產(chǎn)的大戶，最典型的如元富、六和、源恒、民享等公司，這些企業(yè)大都是按日本的生產(chǎn)和管理模式建立的，目前也正在 不斷向大陸內(nèi)地擴散。從 20 世紀 90年代開始，我國鋁合金車輪企業(yè)如雨后春筍，迅猛發(fā)展起來，如 戴卡輪載制造有限公司 、 南海中南鋁合金輪轂有限公 司 是我國首批建立的現(xiàn)代化鋁合金車輪企業(yè)，并最早進入國內(nèi)外市場。 隨著我國摩托車躍居 世界王國 的市場形勢，到 20 世紀 90年代中期，一 下子涌現(xiàn)出上百個摩托車鋁合金車輪生產(chǎn)廠?？梢灶A料，我國輕合金車輪隨著現(xiàn)代汽車、摩托車日新月異的更新?lián)Q代，隨著全世界公路設施的飛速發(fā)展，必將會在材料、工藝、裝備以及產(chǎn)品開發(fā)手段等方面出現(xiàn)一個突鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 18 頁 共 54 頁 破性的局面。 (3)鋁合金車輪的命名和各部位規(guī)范名稱 我國目前對輕合金車輪的命名，有著眾多極不規(guī)范的名稱； 如鋁合金車輪有諸如 鋁輪轂 、 鋁 合金輪轂 、 鋁胎鈴 、 鋁輪圈 、 鋁合金車輪 、 鋁圈 等，甚至還有叫 鋁鋼圈 的，各按自己的習慣稱呼，十分混亂。由于輕合金車輪的命名不規(guī)范，生產(chǎn)企業(yè)的名稱也各按自己理解來各自命名，五花八門，這是由我國在該行業(yè)剛起步時許多歷史原因造成的，如今經(jīng)過這么多年的成熟發(fā)展。 圖 ： 汽車鋁合金車輪各部位命名示意圖 第 六 章 鋁合金車輪材料及微觀組織 鋁合金車輪材料及結構 近年來，隨著鋁合金車輪產(chǎn)量的迅速提高和技術的日趨完善，適合于鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 19 頁 共 54 頁 各種需要的車輪用鋁合金得到了開發(fā)。許多汽車制造廠家對各種合金的靜態(tài)、動 態(tài)力學性能及成形工藝進行了綜合比較，并探討了各種雜質(zhì)元素對合金性能的影響。鋁合金車輪的制造成形方法主要為板成形、鍛造和鑄造，其中鑄造成形成本最低，適用范圍廣，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，從而最具競爭力。目前鑄造鋁合金車輪已風靡世界，其合金主要有兩類 :對于不需要熱處理的合金選用 AlSi11或與之類似的合金 。對于需要通過熱處理提高靜態(tài)力學性能以增加車輪使用壽命及塑性的合金，則采用類似于 AlSi7的合金。表 21 為鋁合金車輪的制造方法和材料， 目前，西歐國家如德國、意大利、法國、荷蘭、比利時、盧森堡等國家主要采用以 銻進行變質(zhì)的 合金和以鍶為變質(zhì)劑、不經(jīng)過熱處理、鎂的質(zhì)量分數(shù)在 0～ %的 AlSil1 合金。而美國 、日本、英國和意大利則主要采用需經(jīng)熱處理，用鈉或鍶進行變質(zhì)處理 AlSi7Mg0178。3(A356)合金。 車輪輪輛用形變鋁合金，則要求較高的強度 (疲勞強度 )、閃光焊焊接性、滾軋成形性等 。整體車輪用鑄造鋁合金則要求有良好的鑄造性和足夠的強度。 采用鑄造工藝生產(chǎn)鋁合金車輪輪輻的結構可以多樣化，可以最大限度地滿足各類使用者的審美要求。 AlSiMg三元合金的微觀組 織 1） AlSi 二元合金 AlSi二元合金具有簡單的共晶型相圖 (見圖 22)，共晶溫度為 577℃，共晶成分在 Wsi=%處，亞共晶合金的組織為初α (Al)+共晶體 (α +β )，鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 20 頁 共 54 頁 過共晶組織為初晶硅 Si+共晶體 (α +β )。隨著 Si 含量的增加，結晶溫度區(qū)間減小，共晶體增加，流動性隨之提高。 Si 的線收縮很小，合金的線收縮也隨之減小，熱裂傾向也相應減小。當 Si含量在共晶點附近，合金呈現(xiàn)出優(yōu)異的鑄造性能。 AlSi二元合金的力學性能主要取決于硅相的大小、形狀和分布，而硅含量的多少影響較小。不論是共晶硅， 還是初晶硅，如果細小、圓整，則合金既有高的強度，又有良好的塑性。 2178。 2178。 2 AlSiMg 三元合金 AlSiMg 三元合金液相水平投影如圖 23所示， Al– Mg2Si偽二元線把三元狀態(tài)分為兩個區(qū)域，即 AlMg5Al8Mg2Si系和 AlSiMg2Si系。 AlSi合金中加少量的 Mg 后可按 AlMg2Si+Si。的三元系分析。其中包括兩個不變的反應，見表 24。 AlSiMg 三元系合金在凝固過程中，在 555℃時，發(fā)生LAl+Si+Mg2Si三元共晶反應。從 AlMg2Si 偽二元相圖 來看， Mg2Si 在α固溶體中于 595℃時固溶度達到最大為 1178。 85%，隨著溫度的下降則顯著下降，見圖 24。因此， AlSiMg 合金在熱處理過程中，析出時效強化相(Mg2Si)對合金起了強化作用。 2178。 3 合金元素對 A356合金組織和性能的影響 2178。 3178。 1 硅 (Si)的影響 硅 (Si)是 AlSi合金組織申的第二相， Si含量的提高大大改善了合金的鑄造性能。在 A356合金中， Si的質(zhì)量分數(shù)在 6178。 5%～ %范圍內(nèi)， Si 的含量偏上限 (%)時，有利于提高流動性。文獻研究表明， 5i 相形態(tài) 、大小、分布對力學性能的影響遠大于枝晶的二次臂間距， Si 相的形態(tài)對力學性能的影響與鑄鐵中的石墨相似，當以針片狀存在時，可以看作是材料失鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 21 頁 共 54 頁 效的裂紋源。通過改變 Si相的形態(tài)，可大大提高合金的力學性能。 2178。 3178。 2 鎂 (Mg)的影響 鎂 (Mg)元素對形成 Mg2Si 強化相是必不可少的。 Mg含量對 A356 合金的影響規(guī)律。可以看出，隨著 Mg含量的提高，合金的抗拉強度、屈服強度都會有所提高，而伸長率則降低。此外， Mg 在熔化、除氣和變質(zhì)過程中，特別容易燒損，因此應嚴格控制其含量和燒損量。 Mg的質(zhì)量分數(shù)的適宜值為 0178。 25%～ %。 2178。 3178。 3 鐵 (Fe)的影響 鐵 (Fe)在 AlSi 合金中一般作為有害元素。 Fe 含量對 A356 合金力學性能的影響?？梢钥闯?， Fe 含量增加，使合金的抗拉強度，屈服強度及伸長率，其中伸長率降低幅度很大，使鑄件變脆。其原因在于 :AlSi合金中的鐵主要以β相 (Al9Fe2Si)形式出現(xiàn)，該相硬而且脆，往往以粗大的針狀穿過α相晶粒，削弱基體，降低合金的延長率和沖擊韌度，而且合金凝固愈慢時，β相長得愈粗大。 234 銅 (Cu)、鋅 (Zn)的影響 銅 (Cu)會使 A356合金 的伸長率和耐蝕性降低 。鋅 (Zn)也會降低合金 的耐蝕性。因此，爐料中應盡量避免 Cu元素和 Zn元素的混入，其含量應控制在 ω Cu0178。 2%，ω Zn0178。 1%。 2178。 3178。 5 鉻 (Cr)對鐵相形態(tài)和 A356合金性能的影響 鉻 (Cr)加人主要是用于消除 Fe的有害作用。為了考察鉻 (Cr)對鐵相的作用，安排了ω Cr=%、 0178。 4%、 0178。 6%三種 Cr 含量進行試驗，其結果如圖 29 所示。 Cr的加入便鐵相依次由針狀向漢字狀、塊狀、團狀轉變。分鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 22 頁 共 54 頁 析其原因，主要由于 Cr與 Fe 形成多元復雜相，改善了鐵相的形成與生成。為了 進一步探討其復雜相的組成，進行了電子探針分析， 由此可見， Cr的加入一方面消除了 Fe的危害作用，另一方面又形成復雜耐熱相從而提高合金的高溫性能 。當 Cr含量增加時，強度、伸長率同步提高，且伸長率提高幅度更大。此外，錳 (Mn)、鉆 (Co)也常用于消除 Fe的有害作用，但其作用不如 Cr顯著。消除此有害作用的合金元素加人量可按如下的比例 :ω Mn:ω Fe=():1，ω Co。 :ω Fe=0178。 9:l，ω Cr:ωFe=0178。 35:1。綜上所述，在鋁合金生產(chǎn)中，由于熔煉設備和爐料會不可避免地帶入 Fe，欲想去除它 ，不僅在工藝上是困難的，而且也極不經(jīng)濟，更何況鐵也有其有利的一面即可提高合金的高溫力學性能。因此，改變鐵相形態(tài)，降低 (甚至消除 )其有害作用，充分利用其有利的一面，這比降低其含量更有實際意義，也更符合我國目前鋁合金中 Fe含量難以降低的現(xiàn)狀。 2178。 3178。 6 稀土 RE(La)對 A356 合金顯微組織和性能的影響 稀土在 AlSi 合金中的應用主要是基于稀土元素對 AlSi 合金的變質(zhì)作用，見表 25。除此之外，由于它的化學活性大，與硫、氧、氫、氮的親合力強，可消除這些雜質(zhì)的不利影響，如稀土與氫結合可減少針孔傾向、與 Fe 也能形成復雜相改善旺的不利作用?？傊?，加人稀土可改善材料的耐氧化性、耐高溫腐蝕性，細化結晶結構，提高材料的力學性能和使用性能。 為了考察 RE(La)加人量對 A356 合金的影響，安排了ω RE=%、 0178。 4%、 0178。 6%三種 RE 加入量，進行試驗，不同 RE加人量對 A356組織及力學性能的影響 。 鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 23 頁 共 54 頁 稀土為什么會產(chǎn)生如此效果呢 ?有關這方面的機理報導較少。但從稀土的特點出發(fā)分析發(fā)現(xiàn)，稀土是強過冷元素，對 AlSi合金的變質(zhì)能力，其變質(zhì)能力大小與下列因素有關 : 1)變質(zhì)劑原子本身的特征， 如電子層結構、價電荷數(shù)、原子半徑以及原子序數(shù)等。當繪出讕等元素的原子半徑 (r)與原子序數(shù) (z)的關系圖時，發(fā)現(xiàn) La 系元素的變質(zhì)能力與其原子半徑有緊密聯(lián)系 (見表 25)，即隨著原子半徑由 La的 1178。 87A減少至 Er的 1178。 75A，其變質(zhì)能力迅速減弱。 Eu變質(zhì)能力反常，正好與其半徑 ()反常跳躍一致，即可認為 La 系元素原子半徑大于 1178。 85A者為強變質(zhì)劑，介于 1178。 85～ 1178。 82A之間者為中等變質(zhì)劑，而介于 1178。 81～ 1178。 76A 之間者為弱變質(zhì)劑，低于 1178。 75A者則不具變質(zhì)能力。 2)冷卻速度。以 La 為 代表，在其濃度相同的情況下，發(fā)現(xiàn)在以 35～ 45℃/ min 速度冷卻熔態(tài)試樣時， La 即具有明顯的變質(zhì)效果 。在 70～ 80℃ /min冷卻速度下，變質(zhì)效果尤為突出，而冷卻速度低于 1OC/min即不再具有變質(zhì)能力。因此 La 變質(zhì)的冷卻速度最好不低于 50℃ /min。 3)稀土變質(zhì)有最佳值，據(jù)化學分析結果發(fā)現(xiàn)，合金開始變質(zhì)都在變質(zhì)劑的質(zhì)量分數(shù)為 0178。 02%～ 0178。 03%左右，根據(jù)顯微結構的觀察，最佳變質(zhì)濃度均在 0178。 03%～ 0178。 04%超過此值。結構中普遍出現(xiàn)三元金屬間化合物相，Eu 以前的輕稀土元素生成的三元金屬間化合物普 遍呈條狀，可能具有和Al2SiLa 相同的化學式和結構，而 Eu之后的重稀土元素所形成的三元化合物則都呈多面體。此外，稀土對鐵相作用，則在于一方面與 Fe 形成復雜化合物，使鐵相團球化 。另一方面由于稀土細化了α相，使針狀鐵相斷裂、裂鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 24 頁 共 54 頁 化。有關稀土變質(zhì)的機理還有待進一步探索。 2178。 4 鋁合金車輪材料成分的快速分析 為保證鋁合金車輪的質(zhì)量，在整個制造過程中材料成分必須嚴格控制，如鋁合金材料人庫前的檢驗、鋁合金車輪鑄造時的爐前現(xiàn)場分析、車輪成品的材料成分合格性檢驗等。鋁合金車輪材料的成分分析主要有二種方法 :化 學分析及光譜分析。光譜分析的最大優(yōu)點是分析時間極短，分析成分時僅需 15～ 20s，連同制樣時間只需 5min左右。鋁合金車輪材料成分的爐前快速分析普遍采用金屬光譜分析儀。 常規(guī)光譜儀的光學系統(tǒng)采用光電倍增管探測器，每個待測元素都需要一個獨立的光電倍增管探測器，整個儀器體積大、光電倍增管的裝配要求高、價格貴。新型光譜儀的光學系統(tǒng)使用 CCD檢測器，儀器體積小、分辨率好、價格便宜。例如英國 ARUN(阿郎 )公司生產(chǎn)的 M2550 型臺式金屬光譜分析儀采用 CCD檢測器，非常適合現(xiàn)場有色金屬的快速分析，在車輪行業(yè)中有 多家企業(yè)使用?，F(xiàn)將有關情況介紹如下 : 1)主機系統(tǒng)非常小巧。采用恒溫的微型光學系統(tǒng)，焦距僅 17Omm。帶氣動樣品夾緊裝置和小巧的樣品室。采用的 4096像元線性 CCD檢測器作為光譜接收系統(tǒng)，全譜接收，無通道限制。在波長范圍內(nèi)，只要有標樣可隨時添加工作曲線，以提高分析精度。 2)光源頻率。采用 10800Hz的可調(diào)整高能預燃激發(fā)光源，適應多種基體的金屬材料。分析鋁合金用 400Hz，峰電流可達 200A。高能量對于高硅的激發(fā)有好處，所以該臺式金屬分析儀可以很好地分析高硅鋁合金。 3)采用全部 固態(tài)電路的電子學系統(tǒng)，集成度高，故障率非常低，可靠鋁合金車輪制造 項目可行性研究報告 第 25 頁 共 54 頁