铝合金轮毂性能的影响因素

李玉滨

中图分类号：TQ13文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120122－01

一、绪论

汽车铝合金化是解决世界汽车工业面临的能源、环境、安全等问题的有效措施，而轮毂的铝合金化则是汽车铝合金化应用中的重要方面。使用铝合金轮毂代替传统的钢制轮毂有以下优点：

1．节能效果好：一汽对奥迪车用铝合金轮毅进行节油统计试验，结果表明，对于轿车来说，每个铝合金轮毂较钢制轮毂可减轻重量30％-45％。而轮毂平均每减轻10%，在平均车速为90-12Okm的条件下，其油耗平均可减少0.0131L/100km。

2．散热快，整车安全性高：铝合金轮毂导热性能好，有利于轿车因高速行驶轮胎发热后的散热，与相同条件下的钢制轮毂比较，减少了轿车长距离高速行驶产生爆胎的可能，明显提高了轿车高速行驶的安全性能。

3．尺寸精度高，整车行驶性能好：通常情况下，传统钢制轮毂的径向和轴向允许跳动值为±lmm，普通铝合金轮毂的控制范围在±0.5mm以内，高档铝合金轮毂为±0.3mm以内，轮毂的高精度有利于提高车辆起动和变速的灵敏度。

4．成型性好：多变的“时装”款式更能适应现代化整车的要求，用铸造法生产的铝合金轮毂，可以制出各种形状，适应不同车型。

二、A356在轮毂生产中的应用

目前铝合金中应用最广的是A356，A356是亚共晶铝硅合金，其主要合金元素为硅、镁、钛、铁，而稀土常常作为变质和细化元素加入，从而对铝合金的性能产生重要的影响。

决定低压铸造轮毂质量好坏的因素除了原材料的成分外，后序各种处理过程的控制起到了关键性的作用。

（一）不同的合金元素对A356铝合金的影响

1．硅的影响。硅（Si）是Al-Si组织中的第二相，Si含量的提高大大改善了合金的铸造性能。由Al-Si合金的二元相图得知，共晶成分的Wsi=12.6％。根据液态金属停止流动机理，合金凝固时，其结晶温度范围越宽，树枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相，在较短的时间金属便停止流动。A356合金中Si的质量分数为6.5-7.5%，当Si含量偏上限时，其结晶温度范围较窄，能提高合金的流动性。合金的力学性能与硅相的形状系数高度线性相关，硅相的形态及大小对合金的力学性能有着显著的影响。

2．镁的影响。在A356合金中，镁与硅可形成Mg2Si强化相，关于Mg含量对A356合金的影响规律，目前大多数观点认为随着镁含量的提高，合金的抗拉强度和屈服强度都会有所提高，而延伸率则降低。

3．钛的影响。钛能细化晶粒，钛既可以和碳形成碳化钛（TiC），也可以和硼形成TiB2。TiC具有与铝相同的面心立方结构，晶格常数和Al非常接近，熔点在3147℃，因此TiC可促使α(Al)形核，从而起到细化晶粒的作用。

4．铁的影响。铁对A356合金性能的影响：含铁量增加，合金强度、延伸率降低，尤其是延伸率降幅较大，使合金变脆，塑性下降，其原因在于铝硅合金中的铁元素主要以β相(A19Fe2Si2)形式出现（为黑色针状物），该相硬且脆，往往粗大的针状穿过α相晶粒，削弱基体，降低合金延伸率和冲击韧性，而且合金凝固越慢时，β相长得越粗大。

5．稀土元素的影响。稀土元素在铝合金中的主要作用有：提高铸造共晶Al-Si共晶合金性能；提高铝合金的抛光性能；提高铝合金的抗氧化性。稀土元素在A356合金熔炼过程中的主要作用有两个：变质和细化。在细化方面，稀土元素的金属原子半径在174pm至204pm之间，大于铝的金属原子半径143pm，它易填补于生长中的铝及其合金的晶粒新相的表面上，生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化。此外，稀土元素和AlTiB同时加入，易生成极不稳定的A1TiRE化合物，并很快被溶解在铝熔体中，起到降低表面能的作用，使硼化物难以形成紧密团块，颗粒细小的硼化物不易产生沉淀，从而达到长时间保持细化效果的作用。

（二）后序处理的重要性

低压铸造铝合金轮毂主要有熔炼、铸造、热处理、机加和涂装等工艺步骤。下面着重介绍前三个工序。

1．熔炼和压铸。熔炼是铝合金轮毂生产中的关键步骤，尤其是熔炼成分的控制。铝合金轮毂的力学性能和物理性能与合金成分有关，同时，合金成分也影响铸造和加工工艺。在A356合金中，Fe、Cr、Zn元素可以化合成复杂的生成物，而这种化合物硬度高，熔点也高，通常沉积在铝液的下部，形成熔渣。稀土元素在铝合金熔炼过程中是很好的变质元素。早期研究认为，加入1％的混合稀土可以使Al-Si合金获得完全的变质组织；但又有许多研究结果表明，用0.2％-0.7％的稀土元素就可以使共晶组织变质。变质处理后，合金的力学性能有了大幅度提高，不但抗拉强度有所提高，而且对延伸率的贡献较其它合金元素更为突出。

2．热处理。目前A356铸造铝合金轮毂的热处理均采用T6热处理工艺。热处理作为产品的后续处理对于发挥材料的潜力有着举足轻重的作用。固溶后的时效分单级时效和双级时效。

采用传统的T6热处理工艺，A356合金的抗拉强度为280Mpa，屈服强度180Mpa，延伸率8-10%，低温时效时共晶硅颗粒随着时间的增加细化和球化效果增加。低温时效初期，由于低温时效有利于硅原子从Al-Si中的固溶析出，硅原子析出的速度大大增加，但此时硅原子主要以沉淀相和强化相形核核心的形式析出，而作为依附于共晶硅生长的原子析出数量很少。因此尽管硅析出的速度大于硅固溶的速度，但析出硅依附共晶硅生长的速度低于硅固溶到Al-Si中的速度，所以当低温时效时间较短，共晶硅的形貌产生了一定量的球化和细化。当低温时效时间过长时，共晶硅颗粒的形貌呈粗化趋势。

三、结论

由以上叙述可得出结论：能源、环境和安全的问题使得铝合金轮毂的市场前景很广阔。根据铝合金中各种不同元素的作用，可以根据使用性能的要求的不同合理地调整各种元素的含量，其中稀土元素是很重要的一项。在铝合金轮毂生产中，熔炼、压铸和热处理起着关键的作用，正确的使用相关技术是提高轮毂质量的有效方法。

参考文献：

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