鑄造鋁輪轂用A356合金元素強化研究現狀

劉旦 周俊 段軍鵬

摘 ? 要：對A356的合金化改進主要分為兩類：一種為成分調整，即不改變原有元素種類，只調節各元素的配比，如Si、Mg、Mn等;另一種是通過添加新元素改進合金性能，這其中以La、Y、Ce、Sc等稀土元素居多。改進的途徑包括細化晶粒，改善硅相組織形貌，形成新的增強相等。本文對影響A356合金機械性能的元素進行了概括分析，并提出了合金化改進A356性能的建議。

關鍵詞：A356鋁合金 ?鋁輪轂 ?合金化

中圖分類號：TG142 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0063-02

1 ?引言

制造鋁制輪轂所使用的鋁合金材料包括A356、6061等。其中，A356被鑄造鋁制輪轂大量選用。A356鋁合金具有比重小，耐侵蝕性好等特點，主要由鋁、硅、鎂、鐵、錳、鋅、銅、鈦等金屬元素組成，是一種技術成熟的鋁合金材料。A356合金是一個典型的Al-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，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。

2 ?綜述

2.1 固有元素

A356合金中，Si使合金具有高的流動性與低的收縮率。Mg主要提高合金的強度，尤其是在熱處理以后。Ti元素有時以晶粒細化劑的形式加入合金中。Fe是主要的雜質元素。Cu能提高合金的抗拉強度與疲勞強度，但會使抗蝕性有所下降。Mn可使組織中的粗大針狀含Fe相，變為尺寸較小的塊狀化合物，降低Fe對合金的有害作用。Sr主要用于Mg2Si相變質。

宋謀勝等[1]研究了不同Ti含量的A356合金的組織和力學性能。結果表明：隨著Ti含量的增加，晶粒和一次枝晶都明顯細化，硅顆粒尺寸、縱橫比均有所降低，硅顆粒圓形度有所增加，硅顆粒形狀得到改善。但當Ti含量大于0.1wt%時，這種影響變弱。起華榮等[2]研究了Si、Mg元素對A356合金流動性能的影響，研究結果表明，在A356合金中，Si元素和Mg元素在允許范圍內適當增加添加量，分別使鋁合金流動性提高29.8%和14.34%。汪長勤等[3]研究了Si、Mg含量對A356合金力學性能的影響。結果表明，在A356合金中，Si元素和Mg元素在允許范圍內適當增加添加量，能使合金在鑄態和T6態的力學性能都有一定程度提高;抗拉強度和伸長率達到320MPa和8.0%。

燕山大學蔡成等人[4]研究了Mn對A356合金組織和性能的影響。當Mn含量為0.08wt%時，合金中針狀β-Fe相變得細小，其長度、寬度與未添加Mn元素的合金相比，分別減小了44.13%和43.89%;當Mn的添加量達到0.16wt%時，β-Fe相轉變率為95.17wt%，經過熱處理后A356合金中的鐵相發生部分熔斷。當Mn的加入量達到0.08wt%時，合金的塑性和抗拉強度達到了最大值，此后再增加錳的含量，合金的塑性和強度基本上保持不變。

2.2 添加元素

目前對A356合金添加元素的研究主要以La、Ce、Sc、Y等稀土元素居多。改進的途徑包括細化晶粒，改善硅相組織形貌，形成新的增強相等。

肖銀平等人[5]發現，添加稀土（主要成分為La和Ce）量在0.15wt%～0.45wt%之間時，可以降低合金組織針孔度，但是對改善硅相形貌作用不大。唐小龍等研究了混合稀土對Ti-B-Sr聯合細化變質的A356鋁合金顯微組織的影響。結果表明，當稀土添加量為0.1wt%～0.3wt%時，隨著稀土含量的增加，初晶晶胞尺寸、硅相尺寸、二次枝晶臂間距減小，硅相圓整度提高。高士學等研究了La對A356合金的組織和硬度的影響。結果表明，稀土La對α-Al相的細化和Si相的變質都起到明顯作用。隨著La含量的增高，晶粒逐漸變小，加入0.4wt%La，α-Al相達到最小。加入0.2wt%La時，共晶Si相呈細小顆粒狀，繼續增加La含量到0.4wt%，變質作用減弱;加入0.3wt%La時，Si相硬度達到最高。段海麗等研究了金屬La在不同含量、保溫時間以及澆鑄溫度條件下對A356鋁合金變質作用的影響。結果表明，稀土含量為1.0wt%變質效果最佳;La具有較長的變質失效時間;澆鑄溫度對其變質效果影響不大。

王俊峰等研究了稀土Er對半固態成形的A356合金組織及性能的影響。結果指出，合金中添加0.1wt%的Er可以明顯的細化合金組織。同時，添加少量Er可以很好的變質細化共晶硅相，使板塊狀的共晶硅細化。覃銘等研究了稀土Er和Zr聯合作用對A356鋁合金組織與性能的影響。當Er的含量為0.2wt%和Zr的含量為0.3wt%及經過T6處理時，合金的晶粒得到細化，綜合力學性能得到整體的提高。林裕涵研究了Sc對A356合金機械性能的影響，Sc含量為0.1wt%及0.25wt%時，枝晶間距分別減小30.7%及32.8%，同時延伸率及抗拉強度均有所提升。

汪長勤等研究了稀土元素Y對A356合金顯微組織和拉伸性能的影響。結果表明：稀土Y是A356合金的一種優良變質劑，不但能使初生的α-Al晶粒變得圓整細小，二次枝晶間距減小，而且能使共晶硅由粗大的板條狀轉變為細小的顆粒狀或纖維狀。當加入0.4%Y后，A356合金的抗拉強度和伸長率分別達到了298MPa和9.5%，分別提高了29.6%和21.5%。方東等研究了Ce對高Fe含量的A356合金鑄態顯微組織的影響。結果表明，添加Ce能將粗大針狀Fe相轉變成細小短棒狀Fe相，但過量的Ce會導致針狀Fe相長度的增加。當Ce的加入量為0.4wt%時，針狀Fe相的長度最短;Ce可以細化α-Al晶粒，當Ce的加入量為0.4wt%～0.7wt%時，可以對共晶硅起到較好的變質效果，但當Ce的加入量0.7wt%，變質效果減弱。

胡詠梅等研究了單獨添加Al-5Ti-B和稀土Y以及兩者復合添加時對A356鋁合金半固態凝固組織的影響。研究結果表明，Al-5Ti-B和稀土Y對A356鋁合金半固態初生相的形貌及尺寸均有不同程度的改善。將兩者復合添加時，可顯著提高合金中初生相的形貌及尺寸，得到細小、圓整且分布均勻的半固態組織，其添加量的最佳組合為0.02%的Ti與0.5%的Y。

3 ?結語

目前對A356合金化所選的元素主要包括：Mg、Si、Mn、Ti、Fe、Cu、La、Y、Ce、Sc、Er等，其中大部分元素在有效范圍內都可以起到細化晶粒，改善微觀組織、提高機械性能的作用。但是不同元素作用的機理不同，當同時調節多種合金元素時，需要考慮聯合作用的效果。另外，各種元素的市場價格，以及輪轂企業的生產狀況也是研究中需要綜合考慮的因素。

參考文獻

[1] 宋謀勝，劉忠俠，李繼文.加鈦方式與鈦含量對A356合金組織和性能的影響[J].中國有色金屬學報，2014（10）：1729-1735，2004

[2] 起華榮，楊鋼，史慶南.Si、Mg對鋁輪轂用A356合金流動性的影響[J].輕合金加工技術，2007，35（2）：19，22.

[3] 汪長勤，趙玉濤，張松利，等.Si、Mg含量及合金元素對A356合金力學性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2010，30（1）：88-91.

[4] 蔡成.Mn含量對A356合金組織和性能的影響[D].燕山大學，2012.

[5] 肖銀平.稀土對汽車鋁輪轂用合金A356性能的影響[D].江西理工大學，2012.