热控制制度强化再生A356铝合金性能研究

彭 聪，蓝珊琳，徐 佐，柴立元，郑玉林，刘 恢，朱志华，王 凯，刘一顺，李世德，崔晓辉

（1.中南大学，湖南 长沙410083；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇岛066011；3.南南铝业股份有限公司，广西 南宁530031）

汽车零部件中铝合金材料的占比逐年攀升，利用再生铝制备零部件成为热门话题。以回收的废铝制品为主要原料，经过分拣、预处理、重熔、铸造、变形加工等工艺生产汽车零部件［1］，无需经过矿石开采、碱法制氧化铝、电解制铝等原生铝生产流程［2］，大幅减低了能耗与碳排放。因此，利用废铝制品再生制备车用铝合金将大力助推绿色循环经济发展。

但是，目前汽车用铝合金仍以原铝为主，废铝利用率极低［3］。考虑到车辆安全性与操控性能，通常对铝合金零部件的综合力学性能有非常严苛的要求，而再生铝零部件性能通常劣于原生铝零部件。所以当前汽车零部件的铝合金仍以原生铝作为原材料，即使添加废铝，添加比例通常也很低（不超过10%）。目前制备的汽车用再生铝产品难以满足性能要求。提升汽车用再生铝抗拉强度、拉伸率、硬度等力学性能，是实现汽车用再生铝保级或升级利用的关键。本文以废铝制品制备再生A356铝合金过程为研究对象，考察了精炼除杂脱气、冷却制度、热处理条件对再生A356组织结构及力学性能的影响，研选了提升再生A356力学性能的关键工艺参数，为汽车用再生铝合金技术发展提供了支撑。

1 原料与试验方案

1.1 试验原料及设备

试验所用原料为六种不同化学成分的废铝合金、镁（99.9% Mg）、硅铝中间合金（Al-20% Si）、自制精炼剂（Ti-C2Cl6）以及氮气（N2），不同废铝合金样品化学成分见表1。

表1 不同废铝合金样品化学成分 %

设备为铝合金熔炼一体式坩埚电阻炉、干燥箱。

1.2 试验流程

试验流程为：将废铝合金熔化后，加入硅铝合金及镁片，于740℃保温，过程中加入精炼剂（Ti-C2Cl6）进行精炼，再保温一段时间后捞出浮渣，取样后于室温下等待不同时间后进行水淬骤冷处理，之后于铝合金熔炼一体式坩埚电阻炉内进行不同条件下热处理，最终制得再生A356铝合金，如图1所示。

图1 强化再生A356铝合金试验流程图

1.3 分析及检测方法

使用金相显微镜、扫描电镜能谱仪（SEM-EDS）对再生A356铝合金进行形貌的表征分析，使用CCD直读光谱仪进行元素含量分析，使用X射线荧光光谱仪（XRF）对浮渣元素含量进行测试，使用X射线衍射仪（XRD）对浮渣结构进行表征分析，使用电子背散射衍射分析技术（EBSD）对晶粒进行表征分析，使用电子万能试验机对再生A356铝合金的力学性能（弹性模量、抗拉强度、拉伸应变）进行了测试。

2 试验结果与讨论

2.1 预处理脱气除杂效果分析

经过重熔、脱气除杂、捞渣、浇注后制备的再生A356铝合金与废铝合金原料的元素含量见表2。

废旧铝合金经过成分调整后，除了Fe含量因熔炼过程杂质引入略微升高，Si、Mg等其它关键元素均满足车用A356合金标准。

为进一步确定再生A356铝合金组织中各相组成，对试样进行XRD分析，结果如图2所示。经XRD衍射峰与标准卡片比对可知，加入自制Ti-C2Cl6精炼剂脱气除杂后，合金主要由α-Al相、Si相和β-Fe相组成。

图2 再生A356铝合金试样的XRD图谱

采用AJTECHCR软件对样品表面的背向散射电子绕射（EBSD）检测进行分析，结果如图3所示。对再生铝合金来说，投加自制Ti-C2Cl6精炼剂后，合金的晶粒得到明显细化，晶粒尺寸从原来的1 070.8μm降低至629.9μm，推测Ti的加入使铝合金液当中产生了有效形核粒子。故Ti-C2Cl6精炼剂除了脱气除杂，还具备一定细化晶粒的能力，投加自制精炼剂后，单位面积合金表面的针孔明显减少，这是由于铝合金液中压入的细化剂反应生成了大量气泡，在上浮过程中夹带了合金液中的氢气和杂质，在分离熔体杂质元素的同时，有效减少合金内部针孔。

图3 Ti-C2Cl6精炼剂对晶粒尺寸及微观形貌的影响

2.2 冷却制度对再生A356铝合金微观结构及力学性能的影响

不同冷却制度得到的样品表面微观形貌及Si元素的分布情况如图4所示。图4（a～d）为浇注结束间隔5、20、60、120 s后进行室温水淬骤冷的铸态再生A356铝合金表面微观形貌。随着浇注-骤冷时间间隔延长，被Si相包围的细小α（Al）枝晶明显变得粗大，可判定灰色等轴晶基体为α-Al，晶界处条状析出组织为Si相，针状组织为Al、Fe和Si等元素形成的富铁相。由图可知，随着骤冷时间延长，原本短小分散的纤维状Si相（图4e）逐渐粗化为对合金性能不利的片状（图4f）。

将浇注后分别间隔5、20、60、120 s后进行室温水淬骤冷得到的铸态再生A356铝合金进行室温拉伸性能测试，铸态再生合金的应力—应变曲线如图5所示，合金样抗拉强度分别为208、201、183、133 MPa。可以看出随浇注-骤冷间隔时间延长，铸态合金抗拉强度显著下降。浇注后立即骤冷可以有效增大过冷度，提高形核率，晶粒越细小，晶界数目越多，对位错运动阻碍更大，材料强度也越高；而间隔一段时间后再骤冷，晶粒尺寸增大，相应力学性能则减弱。

图5 不同冷却制度的铸态再生A356铝合金应力—应变曲线

2.3 热处理条件对再生A356铝合金微观结构及力学性能的影响

不同热处理条件下再生A356铝合金样品表面Si、Fe、Mg元素分布如图6所示，图6（a～c）依次为160℃时效4 h后的Si、Mg、Fe元素的EDS扫描结果；图6（d～f）依次为540℃固溶4 h后再160℃时效4 h的Si、Mg、Fe元素的EDS扫描结果。可以看出，固溶4 h后再160℃时效4 h的样品，Si相发生了明显的球化（图6d），实现了硅的改质。加热过程中共晶硅向铝合金基体中固溶扩散，Si相尖角处的曲率半径小、界面能高，因此该处的Si原子能量较高，会优先发生固溶扩散，使共晶Si的尖角钝化，曲率半径变大，形态趋向圆整。此外，经过固溶处理的再生铝合金，其针状β-Fe相数量（图6f）明显少于仅时效处理的样品（图6c），说明固溶＋时效热处理能抑制β-Fe相生成。如图6b、图6e所示的Mg元素分布同样对合金的综合性能有着非常显著的影响。固溶＋时效处理后，球化的硅相当中并未发现明显偏聚的Mg2Si相，此时Mg2Si相分布均匀，无偏聚现象，强化性能最佳，起到了提升合金力学性能的作用。

图6 不同热处理条件的再生A356铝合金样品表面元素分布形貌

对不同热处理条件的再生A356铝合金进行室温拉伸性能测试，铸态再生合金的应力—应变曲线如图7所示，与未经热处理的样品相比，160℃时效4 h处理、540℃固溶4 h-160℃时效4 h处理的合金室温拉伸性能都得到提高，合金抗拉强度从201 MPa分别提升至213 MPa和277 MPa。固溶淬火后可得到较多过饱和固溶体，且在时效过程中析出一定数量Mg2Si强化相，结合固溶过程硅的改质及镁的匀质化作用，共同提高了合金的力学性能。

图7 不同热处理条件的铸态再生A356铝合金应力—应变曲线

提升再生A356力学性能的关键工艺参数，即加入自制Ti-C2Cl6精炼剂进行脱气除杂预处理，随后在浇注过程完成后立即进行室温水淬骤冷处理，最后对其进行540℃／4 h固溶＋160℃／4 h时效。

3 结 论

1.通过投加自制Ti-C2Cl6精炼剂，实现脱气除杂，并可一定程度细化晶粒，有效减少合金内部针孔，增强合金力学性能。

2.随着浇注-骤冷间隔时间增加，铸态合金抗拉强度下降明显，再生铝合金浇注后立即骤冷可显著提供铸态铝合金抗拉性能。

3.与未经热处理相比，固溶＋时效热处理能抑制再生铝合金β-Fe相生成，同时起到硅改质和镁匀质化作用。获得的铸态再生A356铝合金抗拉强度由201 MPa大幅度提升至277 MPa，满足车用A356铝合金标准。

4.本研究优选了提升再生A356铝合金力学性能的关键工艺参数。