熱控制制度強化再生A356鋁合金性能研究

彭 聰，藍珊琳，徐 佐，柴立元，鄭玉林，劉 恢，朱志華，王 凱，劉一順，李世德，崔曉輝

（1.中南大學，湖南 長沙410083；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島066011；3.南南鋁業股份有限公司，廣西 南寧530031）

汽車零部件中鋁合金材料的占比逐年攀升，利用再生鋁制備零部件成為熱門話題。以回收的廢鋁制品為主要原料，經過分揀、預處理、重熔、鑄造、變形加工等工藝生產汽車零部件［1］，無需經過礦石開采、堿法制氧化鋁、電解制鋁等原生鋁生產流程［2］，大幅減低了能耗與碳排放。因此，利用廢鋁制品再生制備車用鋁合金將大力助推綠色循環經濟發展。

但是，目前汽車用鋁合金仍以原鋁為主，廢鋁利用率極低［3］。考慮到車輛安全性與操控性能，通常對鋁合金零部件的綜合力學性能有非常嚴苛的要求，而再生鋁零部件性能通常劣于原生鋁零部件。所以當前汽車零部件的鋁合金仍以原生鋁作為原材料，即使添加廢鋁，添加比例通常也很低（不超過10%）。目前制備的汽車用再生鋁產品難以滿足性能要求。提升汽車用再生鋁抗拉強度、拉伸率、硬度等力學性能，是實現汽車用再生鋁保級或升級利用的關鍵。本文以廢鋁制品制備再生A356鋁合金過程為研究對象，考察了精煉除雜脫氣、冷卻制度、熱處理條件對再生A356組織結構及力學性能的影響，研選了提升再生A356力學性能的關鍵工藝參數，為汽車用再生鋁合金技術發展提供了支撐。

1 原料與試驗方案

1.1 試驗原料及設備

試驗所用原料為六種不同化學成分的廢鋁合金、鎂（99.9% Mg）、硅鋁中間合金（Al-20% Si）、自制精煉劑（Ti-C2Cl6）以及氮氣（N2），不同廢鋁合金樣品化學成分見表1。

表1 不同廢鋁合金樣品化學成分 %

設備為鋁合金熔煉一體式坩堝電阻爐、干燥箱。

1.2 試驗流程

試驗流程為：將廢鋁合金熔化后，加入硅鋁合金及鎂片，于740℃保溫，過程中加入精煉劑（Ti-C2Cl6）進行精煉，再保溫一段時間后撈出浮渣，取樣后于室溫下等待不同時間后進行水淬驟冷處理，之后于鋁合金熔煉一體式坩堝電阻爐內進行不同條件下熱處理，最終制得再生A356鋁合金，如圖1所示。

圖1 強化再生A356鋁合金試驗流程圖

1.3 分析及檢測方法

使用金相顯微鏡、掃描電鏡能譜儀（SEM-EDS）對再生A356鋁合金進行形貌的表征分析，使用CCD直讀光譜儀進行元素含量分析，使用X射線熒光光譜儀（XRF）對浮渣元素含量進行測試，使用X射線衍射儀（XRD）對浮渣結構進行表征分析，使用電子背散射衍射分析技術（EBSD）對晶粒進行表征分析，使用電子萬能試驗機對再生A356鋁合金的力學性能（彈性模量、抗拉強度、拉伸應變）進行了測試。

2 試驗結果與討論

2.1 預處理脫氣除雜效果分析

經過重熔、脫氣除雜、撈渣、澆注后制備的再生A356鋁合金與廢鋁合金原料的元素含量見表2。

廢舊鋁合金經過成分調整后，除了Fe含量因熔煉過程雜質引入略微升高，Si、Mg等其它關鍵元素均滿足車用A356合金標準。

為進一步確定再生A356鋁合金組織中各相組成，對試樣進行XRD分析，結果如圖2所示。經XRD衍射峰與標準卡片比對可知，加入自制Ti-C2Cl6精煉劑脫氣除雜后，合金主要由α-Al相、Si相和β-Fe相組成。

圖2 再生A356鋁合金試樣的XRD圖譜

采用AJTECHCR軟件對樣品表面的背向散射電子繞射（EBSD）檢測進行分析，結果如圖3所示。對再生鋁合金來說，投加自制Ti-C2Cl6精煉劑后，合金的晶粒得到明顯細化，晶粒尺寸從原來的1 070.8μm降低至629.9μm，推測Ti的加入使鋁合金液當中產生了有效形核粒子。故Ti-C2Cl6精煉劑除了脫氣除雜，還具備一定細化晶粒的能力，投加自制精煉劑后，單位面積合金表面的針孔明顯減少，這是由于鋁合金液中壓入的細化劑反應生成了大量氣泡，在上浮過程中夾帶了合金液中的氫氣和雜質，在分離熔體雜質元素的同時，有效減少合金內部針孔。

圖3 Ti-C2Cl6精煉劑對晶粒尺寸及微觀形貌的影響

2.2 冷卻制度對再生A356鋁合金微觀結構及力學性能的影響

不同冷卻制度得到的樣品表面微觀形貌及Si元素的分布情況如圖4所示。圖4（a～d）為澆注結束間隔5、20、60、120 s后進行室溫水淬驟冷的鑄態再生A356鋁合金表面微觀形貌。隨著澆注-驟冷時間間隔延長，被Si相包圍的細小α（Al）枝晶明顯變得粗大，可判定灰色等軸晶基體為α-Al，晶界處條狀析出組織為Si相，針狀組織為Al、Fe和Si等元素形成的富鐵相。由圖可知，隨著驟冷時間延長，原本短小分散的纖維狀Si相（圖4e）逐漸粗化為對合金性能不利的片狀（圖4f）。

將澆注后分別間隔5、20、60、120 s后進行室溫水淬驟冷得到的鑄態再生A356鋁合金進行室溫拉伸性能測試，鑄態再生合金的應力—應變曲線如圖5所示，合金樣抗拉強度分別為208、201、183、133 MPa。可以看出隨澆注-驟冷間隔時間延長，鑄態合金抗拉強度顯著下降。澆注后立即驟冷可以有效增大過冷度，提高形核率，晶粒越細小，晶界數目越多，對位錯運動阻礙更大，材料強度也越高；而間隔一段時間后再驟冷，晶粒尺寸增大，相應力學性能則減弱。

圖5 不同冷卻制度的鑄態再生A356鋁合金應力—應變曲線

2.3 熱處理條件對再生A356鋁合金微觀結構及力學性能的影響

不同熱處理條件下再生A356鋁合金樣品表面Si、Fe、Mg元素分布如圖6所示，圖6（a～c）依次為160℃時效4 h后的Si、Mg、Fe元素的EDS掃描結果；圖6（d～f）依次為540℃固溶4 h后再160℃時效4 h的Si、Mg、Fe元素的EDS掃描結果。可以看出，固溶4 h后再160℃時效4 h的樣品，Si相發生了明顯的球化（圖6d），實現了硅的改質。加熱過程中共晶硅向鋁合金基體中固溶擴散，Si相尖角處的曲率半徑小、界面能高，因此該處的Si原子能量較高，會優先發生固溶擴散，使共晶Si的尖角鈍化，曲率半徑變大，形態趨向圓整。此外，經過固溶處理的再生鋁合金，其針狀β-Fe相數量（圖6f）明顯少于僅時效處理的樣品（圖6c），說明固溶＋時效熱處理能抑制β-Fe相生成。如圖6b、圖6e所示的Mg元素分布同樣對合金的綜合性能有著非常顯著的影響。固溶＋時效處理后，球化的硅相當中并未發現明顯偏聚的Mg2Si相，此時Mg2Si相分布均勻，無偏聚現象，強化性能最佳，起到了提升合金力學性能的作用。

圖6 不同熱處理條件的再生A356鋁合金樣品表面元素分布形貌

對不同熱處理條件的再生A356鋁合金進行室溫拉伸性能測試，鑄態再生合金的應力—應變曲線如圖7所示，與未經熱處理的樣品相比，160℃時效4 h處理、540℃固溶4 h-160℃時效4 h處理的合金室溫拉伸性能都得到提高，合金抗拉強度從201 MPa分別提升至213 MPa和277 MPa。固溶淬火后可得到較多過飽和固溶體，且在時效過程中析出一定數量Mg2Si強化相，結合固溶過程硅的改質及鎂的勻質化作用，共同提高了合金的力學性能。

圖7 不同熱處理條件的鑄態再生A356鋁合金應力—應變曲線

提升再生A356力學性能的關鍵工藝參數，即加入自制Ti-C2Cl6精煉劑進行脫氣除雜預處理，隨后在澆注過程完成后立即進行室溫水淬驟冷處理，最后對其進行540℃／4 h固溶＋160℃／4 h時效。

3 結 論

1.通過投加自制Ti-C2Cl6精煉劑，實現脫氣除雜，并可一定程度細化晶粒，有效減少合金內部針孔，增強合金力學性能。

2.隨著澆注-驟冷間隔時間增加，鑄態合金抗拉強度下降明顯，再生鋁合金澆注后立即驟冷可顯著提供鑄態鋁合金抗拉性能。

3.與未經熱處理相比，固溶＋時效熱處理能抑制再生鋁合金β-Fe相生成，同時起到硅改質和鎂勻質化作用。獲得的鑄態再生A356鋁合金抗拉強度由201 MPa大幅度提升至277 MPa，滿足車用A356鋁合金標準。

4.本研究優選了提升再生A356鋁合金力學性能的關鍵工藝參數。