再生鋁與汽車零部件的制造

文/ 袁曉東

隨著汽車輕量化的發(fā)展，越來(lái)越多的零部件鑄造企業(yè)使用再生鋁企業(yè)供給的再生鋁合金錠做原材料，在降低零部件加工成本的同時(shí)，有可能由于材料缺陷遺傳的因素，給汽車零部件的質(zhì)量埋下一些產(chǎn)品缺陷與隱患。

零部件制造企業(yè)普遍在模具及加工方面比較專業(yè)，然而，對(duì)于再生鋁合金材料的認(rèn)識(shí)還存在一定的差距。此外，加之對(duì)再生鋁的應(yīng)用在我國(guó)起步較晚，再生鋁合金材料供應(yīng)企業(yè)的技術(shù)力量和專業(yè)程度參差不齊，這類企業(yè)的技術(shù)骨干及技術(shù)工人大多數(shù)為摩托車零部件鑄造用鋁供應(yīng)企業(yè)改行而來(lái)。由于摩托車零部件的要求低，在客觀上，形成了再生鋁合金原材料粗放型的加工模式和非標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，工藝技術(shù)十分落后，只是完成一個(gè)將固態(tài)變液態(tài)、再由液態(tài)變固態(tài)的過(guò)程。對(duì)再生鋁合金原材料的品質(zhì)也單單依據(jù)元素成分要求來(lái)評(píng)定其是否合格，從而在根本上忽略了再生鋁合金的材料屬性。

目前，再生鋁合金原材料企業(yè)所沿用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以及工藝流程幾乎都停留在中等強(qiáng)度的壓鑄件上，對(duì)各種鑄造企業(yè)及零部件使用性能的要求往往知之甚少。上下游企業(yè)在材料認(rèn)知與標(biāo)準(zhǔn)方面的信息完全不對(duì)稱，甚至發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)位，其結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致下游的零部件企業(yè)給上游材料企業(yè)提出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏離了零部件性能對(duì)材料的要求。

筆者在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，大量的下游零部件鑄造企業(yè)對(duì)再生鋁合金材料是陌生的，在對(duì)材料的認(rèn)知上，“唯成分、輕組織”的現(xiàn)象普遍存在：以成分作為再生鋁合金鑄錠的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；上游企業(yè)以成分作為交貨依據(jù)；下游企業(yè)以成分作為收貨門檻。

大家對(duì)再生鋁合金鑄錠在材料生產(chǎn)過(guò)程中的“四化”，即完全合金化，細(xì)化、均勻化、熔體凈化，以及材料的冶金性能及遺傳等方面認(rèn)識(shí)不足，令壓鑄企業(yè)備感困惑的棘手問(wèn)題是，再生鋁合金鑄錠的合金成分符合壓鑄企業(yè)提出的要求，合金錠斷口看起來(lái)也不錯(cuò)，本企業(yè)的壓鑄工藝也沒(méi)發(fā)生改變，模具也沒(méi)改變，但壓出來(lái)的零件卻存在“發(fā)脆、裂紋、起皮起泡、零件性能試驗(yàn)不合格等等缺陷”，換一批材料又好了，這究竟到底是為什么？令人百思不得其解。

近年來(lái)，筆者經(jīng)常去壓鑄企業(yè)一線實(shí)地調(diào)研，解決實(shí)際問(wèn)題，洞悉上下游企業(yè)間扯皮的根源。本篇將圍繞汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋、活塞、端蓋、支架、閥體、歧管、變速器殼體，以及方向盤等典型鋁合金零部件對(duì)鋁硅系合金材料的要求進(jìn)行簡(jiǎn)述，舉一反三，旨在與業(yè)界人士和廣大讀者共同探討。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體分上缸體（缸蓋）和下缸體，鑄造形式大致分為壓鑄、低壓鑄造、重力鑄造。上缸體（缸蓋）和下缸體均采用鋁合金鑄造的，以日本為代表的系列車最為常見(jiàn)，但也有上缸體是采用鑄鐵材質(zhì)的。

鋁合金鑄錠的使用牌號(hào)在世界各國(guó)的代碼都不盡相同，經(jīng)常使用和較為常見(jiàn)的主要牌號(hào)有美國(guó)的A390、390、ASM380 等；有日 本 的AC2B、AC2B、ADC10 等；有 中 國(guó) 的ZL104、ZL106 等；有 法 國(guó) 的ALSI9Cu3；有德國(guó)的ALSI8CuNiMg、ALSi12Cu 等。

汽車的鋁合金零件不是要求單一的強(qiáng)度或者單一的塑性，其需要的是強(qiáng)度與塑性相結(jié)合的綜合性能，要求有較低的熱膨脹率與較好的耐磨性。如果鋁合金零部件有后期熱處理要求，還需要對(duì)鋁合金鑄錠中鈣、鈦、合金元素含量及渣含量提出特殊要求，在技術(shù)要求中，還要明確雜質(zhì)含量和是否變質(zhì)處理，以免發(fā)生雜質(zhì)過(guò)多和因重復(fù)鍶變質(zhì)處理、覆膜砂呈堿性等外來(lái)因素所導(dǎo)致的表面色斑及氣密性不良等材料缺陷。成分不是造成零部件產(chǎn)品缺陷的唯一原因，材料的組織結(jié)構(gòu)才是關(guān)鍵。下游企業(yè)的要求不明確，對(duì)上游企業(yè)來(lái)說(shuō)同樣是不公平的。為了有效地避免材料缺陷，合金錠材料應(yīng)符合以下組織結(jié)構(gòu)要求。如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

圖1 ALFeMn 相小于200微米

圖2 ALFeMnSi 相小于200微米

圖3 硅銅結(jié)塊小于50微米

圖4 大面積含氣缺陷，針孔度小于2 級(jí)

圖5 銅結(jié)塊小于50微米

需要說(shuō)明的是，為了避免圖1ALFeMn 相缺陷的發(fā)生，要求熔煉企業(yè)嚴(yán)格控制元素成分中鐵含量以及在合金化中二相鐵的產(chǎn)生；為了避免圖2 ALFeMnSi 相缺陷的發(fā)生，要求熔煉企業(yè)在熔煉中做到合適的熔硅溫度，避免初生硅較多且尺寸大的材料缺陷，同時(shí)又要避免合金晶粒粗大而不能滿足的材料物理性能，除此以外，原料使用方應(yīng)提出該合金牌號(hào)中元素合理的錳鐵比，以免重熔中出現(xiàn)沙狀錳鐵化合物，最終導(dǎo)致零部件“亞健康”。

為了避免圖3 中的硅銅結(jié)塊缺陷，要求熔煉企業(yè)的熔煉工藝以“沖淡”為主，杜絕合金化后的補(bǔ)硅，補(bǔ)銅等熔點(diǎn)較高金屬的“補(bǔ)料”行為，影響材料的合金化與均勻化。圖5 為典型的熔煉中“補(bǔ)銅”缺陷。

為避免圖3 中材料大面積含氣或者渣氣共生缺陷，要求熔煉企業(yè)加強(qiáng)爐內(nèi)除氣和在線過(guò)濾，保證熔體的凈化，以最后保證零部件的綜合性能。

二、缸蓋

汽缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的第二大件，零件比較復(fù)雜，技術(shù)要求較高，普遍采用重力鑄造或低壓鑄造，主要使用牌號(hào)有A356、AC2A、ALSi6Cu4、ALSi7Mg、ZL106、ZL107 等等。要求零件具有較高的耐熱性，耐沖擊性和疲勞強(qiáng)度等綜合性能，對(duì)合金鑄錠材料要求具有良好的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度等綜合物理性能，對(duì)材料針孔度，晶粒度及變質(zhì)處理方面有較高的要求，當(dāng)然、任何材料的組織結(jié)構(gòu)都或多或少地存在著一些缺陷，只是應(yīng)根據(jù)零部件的要求將材料的缺陷控制在相應(yīng)的范圍以內(nèi)，使其滿足零部件性能要求。這些為限制材料組織缺陷的圖，如上頁(yè)圖6、圖7、圖8、圖9 所示。

圖6 初生硅尺寸小于50微米小于90微米

圖7 鋁硅鐵相，針狀鐵小于90微米

圖8 平均晶粒度大于7級(jí)

圖9 針孔度小于2級(jí)

三、活塞

根據(jù)材料的冶金性能和加工性，一般共晶合金材料較多，但也有要求膨脹系數(shù)小的產(chǎn)品使用過(guò)共晶合金材料的。活塞零件的鑄錠牌號(hào)主要有ALSi12CuMgNi、ZL109、ALSiCu1、AC8A 等，對(duì)活塞零件有高強(qiáng)度和韌性、耐熱和耐沖擊性等綜合性能要求，合金元素的主要特點(diǎn)是含鎳，一般大于1%。應(yīng)限制缺陷如圖10、圖11 所示。

圖10 鑄錠含渣量小于2%

圖11 初生硅尺寸小于50 微米

四、端蓋、支架、閥體、歧管

端蓋、支架、閥體、歧管等鋁合金零部件，主要使用的材料牌號(hào)有ADC12、ADC10、ALSi12Cu、ZL102、ZLD101 等，這類零部件要求鋁合金鑄錠材料具有強(qiáng)度與韌性相結(jié)合的綜合性能。組織缺陷應(yīng)限制如圖12、圖13 所示。

圖12 含渣量小于1.5%

圖13 鑄錠縮孔小于橫斷面三分之一

五、變速器殼體

變速器殼體主要使用的鋁合金鑄錠材料的牌號(hào)有：ADC12、ADC10、390、ZL102、G-ALSi10、1016 等。

以下為含氣，含渣缺陷圖例，如圖14、圖15 所示。

圖14 產(chǎn)品中含氣缺陷

圖15 鋁錠中大量含渣

六、方向盤

方向盤一般使用鋁鎂系的鋁合金鑄錠材料，其牌號(hào)有；ADT6、ALMg2Mn 等，對(duì)于方向盤的性能要求有好的耐沖擊性和強(qiáng)度以及耐腐蝕性，這類鋁合金材料一般為固溶強(qiáng)化。

以上只是部分典型缺陷材料的金相圖片，各企業(yè)應(yīng)根據(jù)自己產(chǎn)品的用途要求，就材料組織、密度、使用性能等方面合理地提出符合自己產(chǎn)品綜合性能的組織結(jié)構(gòu)要求，以便再生鋁合金鑄錠能更好的滿足零部件的使用功能。如果再生鋁合金鑄錠材料符合零部件產(chǎn)品的性能要求，那么零部件產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題就需要從自身尋找原因，比如回頭料控制比例問(wèn)題，壓鑄前集中熔煉爐還是坩堝爐？它們的熔體凈化是否到位問(wèn)題等等。解決了唯成分、輕組織的問(wèn)題，也就解決上下游企業(yè)間為零部件產(chǎn)品質(zhì)量而互相推諉的矛盾，使企業(yè)能節(jié)省“諸如返工、退貨等多出來(lái)的”的成本。

五、小結(jié)

一個(gè)國(guó)家工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，很大程度上就是材料的競(jìng)爭(zhēng)，從材料的電子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)到冶金性能，材料每一個(gè)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新都有可能成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力競(jìng)爭(zhēng)中的增長(zhǎng)點(diǎn)。如何由一個(gè)制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)換，民族制造業(yè)還有很多觀念需更新和轉(zhuǎn)變。國(guó)產(chǎn)乘用車輕量化之路，實(shí)際上歸根結(jié)底是其零部件制造上的技術(shù)革新，只有在技術(shù)上邁上一個(gè)個(gè)臺(tái)階，才能開(kāi)拓出一條健康的、輕量化發(fā)展之路。